ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2001 года по МПК B23K9/06 

Изобретение относится к сварочной технике, в частности к малогабаритным аппаратам для сварки электрической дугой постоянного тока, в которых используется звено повышенной относительно питающей сети частоты.

Известны источники питания сварочной дуги [1, 2], в которых для уменьшения массы и габаритов используется звено повышенной частоты на тиристорах. Ввиду относительно невысокой частоты (единицы кГц) из-за низкого быстродействия существующих тиристоров масса выходного трансформатора и реактивных элементов остается высокой, что ограничивает применение этих устройств в переносных сварочных аппаратах.

Известен источник питания для нагрузок электродугового типа, в котором звено повышенной частоты - мостовой преобразователь напряжения - на транзисторах [3]. Транзисторы, обладая лучшими частотными свойствами, чем тиристоры, позволяют повысить частоту преобразования до нескольких десятков килогерц и, тем самым, снизить габариты и массу источника питания относительно устройства на тиристорах. Недостаток транзисторных преобразователей заключается в малой мощности источников питания на их основе. Связано это с тем, что при работе на индуктивную нагрузку в виде сварочного трансформатора приходится в 2-3 раза снижать среднее значение тока в пределах открытого состояния транзистора для исключения перегрузки транзистора по импульсной мощности в момент его выключения.

Из известных источников питания наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к данному изобретению является источник питания сварочной дуги постоянного тока, содержащий сетевой выпрямитель, мостовой транзисторный преобразователь с нагрузкой в виде последовательно соединенного выходного трансформатора и ограничительного дросселя, выходной выпрямитель [4].

Преобразователь в этом устройстве работает в автоколебательном (резонансном) режиме, либо в режиме, близком к резонансному. В таком режиме выключение транзисторов происходит при пулевом напряжении на них, что позволяет получить на выходе преобразователя большую мощность, чем у представленного выше аналога [3]. Недостатком этого источника также остается низкое значение выходной мощности и тока сварки и, как следствие, невысокие массогабаритные характеристики.

Изобретение направлено на распространение резонансного режима переключения транзисторов в область максимальных токов коллектора, что ведет к увеличению выходного тока и улучшению массогабаритных характеристик источника питания дуги постоянного тока.

Это достигается источником питания сварочной дуги постоянного тока, содержащим сетевой выпрямитель, мостовой преобразователь напряжения на полупроводниковых ключах, ограничительный дроссель, выходной трансформатор, выходной выпрямитель, причем выход сетевого выпрямителя подключен ко входной диагонали мостового преобразователя, к выходной диагонали которого подключены выходной трансформатор последовательно с ограничительным дросселем, а ко вторичной обмотке выходного трансформатора подключен выходной выпрямитель. Кроме того, в отличие от прототипа [4], к выходу переменного напряжения мостового преобразователя через ключ переменного тока подключен конденсатор, а последовательно с входной обмоткой выходного трансформатора включен датчик тока, причем выход датчика тока через пороговое устройство подключен ко входу управления ключа переменного тока. Благодаря такому подключению конденсатора при больших токах нагрузки удается снизить динамические нагрузки на полупроводниковые ключи мостового преобразователя при выключении, тем самым - увеличить их загрузку по среднему току.

Авторам и заявителю не известны источники питания сварочной дуги постоянного тока, содержащие такую совокупность элементов и с таким их подключением, как в заявляемом источнике, позволяющим получить результат, который другими техническими решениями не достигается.

На фиг. 1 приведена блок-схема источника питания; на фиг. 2 - эпюры токов и напряжений в характерных точках схемы.

Источник питания сварочной дуги постоянного тока содержит сетевой выпрямитель 1, к выходу постоянного напряжения которого подключен мостовой преобразователь напряжения из четырех полупроводниковых ключей 2, 3, 4, 5. К выходу переменного напряжения мостового преобразователя параллельно подключены последовательно соединенные выходной трансформатор 6 (первичной обмоткой), ограничительный дроссель 7 и датчик тока 8, а также последовательно соединенные конденсатор 9 и ключ 10 переменного тока. Выход датчика 8 тока подключен к входу управления ключа 10 переменного тока через пороговое устройство 11. Вторичная обмотка выходного трансформатора 6 соединена с выходным выпрямителем 12, выход постоянного напряжения которого соединен с нагрузкой. На фиг. 1 приведена также схема транзисторного ключа 3 с точкой 13 на коллекторе транзистора.

Источник питания сварочной дуги работает следующим образом.

С помощью схемы управления (на фиг. не показана) на один полупериод выходного напряжения мостового преобразователя открываются его полупроводниковые ключи 2 и 5, расположенные на одной диагонали моста, а на второй полупериод выходного напряжения открываются ключи 3 и 4 на второй диагонали моста при закрывшихся ключах 2 и 5. На выходе мостового преобразователя имеем переменное напряжение прямоугольной формы (эпюра 1, фиг. 2), которое через выходной трансформатор 6 и выходной выпрямитель 12 поступает на нагрузку.

Для уяснения сущности изобретения рассмотрим режим выключения транзистора ключа 3 мостового преобразователя при нагрузке, создаваемой выходным трансформатором 6 и ограничительным дросселем 7. На фиг. 2 кривые 1 и 2 изображают напряжение и ток в точке 13 на коллекторе транзистора ключа 3.

Время нарастания напряжения на коллекторе τ_ф1 определяется из известного выражения заряда емкости постоянным током на интервале коммутации

где C_Э - эквивалентная емкость нагрузки, пересчитанная параллельно транзистору ключа (см. фиг. 1), либо емкость специально подключенного внешнего конденсатора;
U_m - максимум напряжения на коллекторе транзистора;
I_m1 - максимальное значение тока коллектора транзистора перед его выключением.

Для надежной работы транзистора в ключе требуется, чтобы время спада тока коллектора t_СП, которое определяется в основном параметрами транзистора, было меньше или равно величине τ_ф1, определяемой выражением (1). В противном случае, при t_СП > τ_ф1 конечный этап выключения транзистора будет происходить при максимальном напряжении на коллекторе (эпюры 1, 2 фиг. 1), что недопустимо для транзисторов.

Для случая t_СП = τ_ф1 из выражения (1) имеем предельную амплитуду тока коллектора

Увеличить значение I_m1 в соответствии с формулой (2) можно только путем увеличения C_Э, так как величина t_СП определяется параметрами транзистора, а U_m определяется напряжением входной сети и не могут быть произвольно изменены. Верхнее значение величины C_Э определяется возможностью работы устройства на холостом ходу. Для этого случая из формулы (1) максимальное значение C_Э
C_ЭМ = U_m•I_mXX• τ_ф1 ,
где I_mXX - величина тока нагрузки на холостом ходу, определяемая током холостого хода выходного трансформатора.

Из эпюры 1 следует, что максимальное значение τ_ф1 не может быть больше T/4, где T - период выходного напряжения, так как это приведет к исчезновению плоской части на эпюре коллекторного напряжения, а на практике - к срыву колебаний преобразователя.

Тогда при τ_ф1 ≤ T/4 предыдущее выражение будет иметь вид
С_ЭМ = U_m•I_mXX•T/4. (3)
Выражения (2) и (3) определяют предельные возможности для амплитуды тока в коллекторе транзистора ключа, реализуемые в известной схеме.

Авторами изобретения предложено в источнике питания сварочной дуги параллельно выходу переменного тока мостового преобразователя ввести конденсатор 9, выполняющий функцию C_Э только при больших токах нагрузки во время замкнутого состояния ключа 10 переменного тока, с управлением ключом 10 переменного тока с помощью датчика 8 тока и порогового устройства 11.

Сигнал датчика 8 тока поступает на пороговое устройство 11 и при превышении порогового значения сигнала датчика 8 (порога U_П) (эпюра 3 фиг. 2) замыкает ключ 10 переменного тока. Таким образом подключается в работу конденсатор 9, который в этом случае определяет скорость нарастания напряжения на коллекторе ключа 3 τ_ф2 (эпюра 5 фиг. 2). Через конденсатор 9 при этом протекают короткие импульсы тока, длительность которых равна времени нарастания напряжения на коллекторе транзистора (эпюра 4 фиг. 2). Выполняется условие τ_ф2 > t_СП и появляется возможность дополнительного увеличения тока через ключи 2, 3, 4, 5 мостового преобразователя в соответствии с выражением (1). При малых токах пороговое устройство 11 не срабатывает, конденсатор 9 не подключается и работа предлагаемого источника не отличается от работы известного.

Заявляемое устройство проверено на образце сварочного аппарата АСПТ-60, выпускаемом серийно Рязанским приборным заводом по патенту РФ N 2018424. В сварочный аппарат введен узел из датчика тока на ферритовом кольце К20х12х6, порогового устройства на тиристорах КУ112, конденсатора типа К78-2 и ключа переменного тока на транзисторе КТ878А без теплоотвода. Масса введенного узла 0,12 кг. При тех же транзисторах КТ847А в ключах мозгового преобразователя сварочного аппарата выходной ток доведен с 60 А до 90 А. К имевшейся массе АСПТ-60 4,5 кг добавилось 0,12 кг введенного узла и 0,8 кг от установки более мощных силовых элементов, рассчитанных на ток 90 А.

Таким образом, в предлагаемом источнике питания сварочной дуги постоянного тока достигнуто увеличение выходного тока в 1,5 раза и удельных характеристик по выходному току с 13,3 А/кг до 16,6 А/кг, т.е. на 25%.

Источники информации
1. Авторское свидетельство N 15300367, кл. B 23 K 9/00, Б.И. N 47, 1989 г.

2. RU N 2080221, кл. B 23 K 9/00, Б.И. N 15, 1997 г.

3. Авторское свидетельство N 1825681, кл. B 23 K 9/00, НОГН 71177, Б.И. N 15, 1997 г.

4. RU N 2018424, кл. B 23 K 9/00, Б.И. N 16, 1991 г.

5. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры Э.М. Ромаш М., Радио и связь, 1981 г., с. 139 - 144.

Источник питания предназначен для дуговой сварки на производстве и в быту. Имеет высокие удельные характеристики. Источник питания содержит сетевой выпрямитель (1), мостовой преобразователь напряжения на полупроводниковых ключах (2), (3), (4), (5), выходной трансформатор (6), выходной выпрямитель (12). Параллельно выходу мостового преобразователя включен конденсатор (9) через ключ (10) переменного тока. Управление ключом (10) переменного тока осуществляется включенным последовательно с первичной обмоткой выходного трансформатора (6) датчиком (8) тока, выход которого через пороговое устройство (11) подключен ко входу ключа (10) переменного тока. Конденсатор (9), включаемый при больших токах нагрузки, позволяет распространить резонансный режим переключения полупроводниковых ключей (2), (3), (4), (5) мостового преобразователя в область больших токов и в 1,5 раза увеличить выходной ток и улучшить удельные характеристики источника питания. 2 ил.

Источник питания сварочной дуги постоянного тока, содержащий сетевой выпрямитель, подключенный своим выходом к входной диагонали мостового преобразователя напряжения на полупроводниковых ключах, пороговое устройство, последовательно соединенные выходной трансформатор и ограничительный дроссель, причем выход мостового преобразователя напряжения подключен к выходному трансформатору, вторичная обмотка которого соединена с выходным выпрямителем, и ограничительному дросселю, отличающийся тем, что он снабжен конденсатором, датчиком тока и ключом переменного тока, при этом конденсатор через ключ переменного тока подключен к выходу мостового преобразователя напряжения, датчик тока включен последовательно с первичной обмоткой выходного трансформатора, а выход датчика тока через пороговое устройство подключен ко входу ключа переменного тока.