СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВНЕШНЕЙ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРОЧНОГО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК B23K9/95 

Изобретение относится к сварке, в частности к системам питания, предназначенным для ручной электродуговой сварки постоянным током плавящимся электродом, функционирующим в режиме автоматического регулирования электрических характеристик дуги, и может использоваться в различных технологических отраслях.

Известен способ формирования внешней вольт-амперной характеристики сварочного генератора постоянного тока (см. Агрегат сварочный АДД-3150 У1, паспорт ДИТЖ.561211.002 ПС, 1998), в котором параметры вольт-амперной характеристики определяются значениями величин внутренних реактивных сопротивлений примененного электромашинного генератора типа ГД 3122МУ1 (там же, стр. 7... 10 и листы 7, 8 приложения), а регулировка тока сварочной дуги осуществляется изменением величины тока обмотки возбуждения этого генератора.

Недостатком такого способа является сильная зависимость начального напряжения внешней вольт-амперной характеристики, т.е. напряжения холостого хода генератора, от заданного значения тока сварочной дуги. Поскольку при уменьшении значения величины последней снижается напряжение холостого хода сварочного генератора, это приводит к уменьшению эластичности дуги, ухудшению условий ее повторного возбуждения и, как следствие, к ухудшению качества сварного шва в диапазоне малых токов сварочной дуги.

Известно устройство для формирования крутопадающей внешней вольт-амперной характеристики сварочного генератора постоянного тока (см. Агрегат сварочный АДД-3150 У1, ДИТЖ. 561211.002 ПС - паспорт, 1998), реализующее описанный способ и содержащее электромашинный генератор с системой статорных силовых обмоток и дополнительных статорных обмоток малого тока, дополнительную обмотку питания, подключенную к регулировочному реостату, обмотку возбуждения с выпрямительными диодами, силовой выпрямительный мост с выводами постоянного тока, к которым подключены дополнительные статорные обмотки малого тока через выпрямительные диоды. Генератор содержит также переключатель, позволяющий ступенчато изменять параметры силовых статорных обмоток.

Однако в таком устройстве постоянство крутизны внешней вольт-амперной характеристики обеспечивается выбором параметров основных и дополнительных обмоток статора, то есть конструкцией электромашинного генератора, имеется сильная зависимость напряжения холостого хода от заданного значения тока сварочной дуги. Кроме того, в известном устройстве для получения необходимых значений величин внутренних реактивных сопротивлений, формирующих крутопадающую внешнюю вольт-амперную характеристику сварочного генератора, требуется пропорционально увеличивать массу и габариты последнего.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ формирования внешней вольт-амперной характеристики сварочного генератора постоянного тока (см. Генератор сварочный типа ГД-4002 У2, ИЕЖА 527612.011 ПС - паспорт, с. 12, 1992), заключающийся в регулировании тока в цепи обмотки возбуждения электромашинного генератора путем подачи на нее двух напряжений, первое из которых пропорционально выходному напряжению обмоток статора электромашинного генератора, а второе - выходному току последнего. Формирование падающей внешней характеристики, необходимой для обеспечения устойчивости режима сварки, достигается соответствующей настройкой регулировочных резисторов и выбором определенных величин реактивных сопротивлений применяемого электромашинного генератора. При этом формирование крутопадающей внешней вольт-амперной характеристики, необходимой для обеспечения устойчивости режима сварки в области малых токов сварочной дуги, требует увеличения внутренних реактивных сопротивлений применяемого электромашинного генератора.

Недостатками такого способа являются ограничения функциональных возможностей стабилизации режима сварки в области больших токов, когда крутизна внешней вольт-амперной характеристики снижается, и в области малых токов, когда из-за увеличения внутренних реактивных сопротивлений значительно возрастает время установления тока сварочной дуги. В результате при ведении процесса ручной электродуговой сварки металлических деталей покрытыми плавящимися электродами затрудняется формирование качественного сварного шва, особенно при работе с тонколистовыми материалами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству формирования внешней вольт-амперной характеристики сварочного генератора постоянного тока является устройство, реализующее описанный в качестве прототипа способ (см. Генератор сварочный типа ГД-4002 У2, ИЕЖА 527612.011 ПС - паспорт, с. 12, 1992) и содержащее электромашинный генератор с системой обмоток статора и обмоткой возбуждения, трансформаторы тока и напряжения, регулировочные резисторы в цепях трансформаторов тока и напряжения, выпрямительные диоды в цепи обратной связи обмотки возбуждения, выпрямительный мост в силовой цепи статора и реостат регулировки тока сварочной дуги, включенный в контур обмотки возбуждения. Генератор содержит также переключатели, позволяющие изменять число витков вторичной обмотки трансформатора тока и число параллельных ветвей обмоток статора.

Однако такое устройство имеет ограниченные функциональные возможности, сложное конструктивное исполнение, значительные массогабаритные характеристики.

Технической задачей изобретения является повышение крутизны внешней вольт-амперной характеристики сварочного генератора постоянного тока, напряжение холостого хода которого остается постоянным во всем диапазоне регулирования тока сварочной дуги.

Эта техническая задача достигается тем, что в известном способе формирования внешней вольт-амперной характеристики сварочного генератора постоянного тока, заключающемся в изменении величины тока в контуре обмотки возбуждения электромашинного генератора, формировании двух управляющих сигналов, задают постоянное опорное напряжение, пропорционально которому осуществляют формирование первого управляющего сигнала, измеряют выходной ток электромашинного генератора, преобразуют измеренную величину выходного тока в напряжение, которое затем сравнивают с опорным, при превышении преобразованной величины напряжения над опорной осуществляют формирование второго управляющего сигнала, начальное значение которого устанавливают равным значению первого управляющего сигнала и изменяют значение второго управляющего сигнала обратно пропорционально изменению измеренной величины выходного тока электромашинного генератора, при этом первый управляющий сигнал отключают, а при уменьшении величины выходного тока ниже установленного значения, величину первого управляющего сигнала восстанавливают до первоначальной, а второй управляющий сигнал отключают.

Поставленная задача решается также тем, что известное устройство формирования внешней вольт-амперной характеристики сварочного генератора постоянного тока, содержащее электромашинный генератор напряжения с обмоткой возбуждения и силовым трехфазным выпрямителем, отрицательный вывод которого соединен с общим проводом устройства, а положительный вывод подключен к сварочному электроду, и контур обратной связи с датчиками режима и регулировочными резисторами, снабжено источником опорного напряжения, двумя пороговыми усилителями, широтно-импульсным модулятором, усилителем мощности, двумя интегрирующими конденсаторами, последовательной цепью запуска, состоящей из кнопки с нормально разомкнутыми контактами и резистора, подключенного к общему проводу устройства, стабилизатором напряжения, подключенным параллельно выходу трехфазного выпрямителя и соединенным со входом источника опорного напряжения, подключенным на выходе к неинвертирующим входам двух пороговых усилителей и токовым входам преобразователей типа напряжение - ток, измерительные входы которых соединены с датчиками режима, а выходы подключены к соединенным с общим проводом устройства регулировочным резисторам и интегрирующим конденсаторам, преобразователи типа напряжение - ток через пороговые усилители подключены к объединенным логикой НЕ-ИЛИ входам широтно-импульсного модулятора, выход которого через усилитель мощности соединен с обмоткой возбуждения и последовательной цепью запуска.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема устройства, на фиг.2 - диаграмма формирования семейства падающих внешних вольт-амперных характеристик, где I - диаграмма вольт-амперной характеристики электромашинного генератора напряжения; II - семейство внешних вольт-амперных характеристик сварочного генератора при различных токах сварочной дуги; III -нагрузочная прямая
U_Д=(20+0,04I_Д);
где U_Д - напряжение на дуге, в вольтах; I_Д - ток дуги, в амперах.

Напряжение холостого хода такого сварочного генератора не зависит от заданного значения выходного тока, поскольку определяется током возбуждения, не зависящим от величины последнего, и может регулироваться изменением величины тока возбуждения. Крутизна формируемых внешних вольт-амперных характеристик также не зависит от заданного значения выходного тока генератора, поскольку она определяется коэффициентом пропорциональности между изменением выходного тока генератора и изменением формируемого тока управления, т.е. параметрами схем измерения, сравнения, и формирования тока управления, и также может регулироваться изменением вышеуказанного коэффициента пропорциональности. Регулирование выходного тока генератора осуществляется изменением той части напряжения, полученного преобразованием измеренного значения выходного тока этого генератора, которая сравнивается с опорным, поэтому такая регулировка также не оказывает влияния на крутизну внешней вольт-амперной характеристики генератора.

При таком способе формирования внешней вольт-амперной характеристики сварочного генератора в интервалах времени, когда прерывается ток сварочной дуги, значение тока возбуждения постоянно и оно определяет значение напряжения холостого хода, которое также стабильно.

Устройство, реализующее указанный способ, содержит генератор 1, представляющий собой синхронный генератор напряжения переменного тока явнополюсного типа с обмоткой возбуждения 2 и силовыми обмотками статора, соединенными в "звезду" или "треугольник", выводы 3 которых подключены к трехфазному выпрямителю 4, выполненному по мостовой схеме, приводимому во вращение от внешнего источника механической мощности, например от двигателя внутреннего сгорания. Отрицательный вывод 5 выпрямительного моста 4 соединен с общим проводом устройства, а положительный вывод 6 подключен через резистивный элемент 7, являющийся датчиком тока дуги, к сварочному электроду 8, а через резистивный элемент 9, являющийся датчиком тока обмотки возбуждения, соединен с катодом демпфирующего диода 10 и плюсовым выводом 12 этой же обмотки, а анод диода 10 соединен с минусовым выводом 11 обмотки возбуждения. Параллельно выводам мостового выпрямителя 4 подключен стабилизатор напряжения 13, выход 14 которого соединен со входом источника опорного напряжения 15. Датчик тока дуги 7 и датчик тока обмотки возбуждения 9 образуют контур обратной связи 16 с измерительными входами 17 двух преобразователей типа напряжение - ток 18 и 19, пороговыми усилителями 20 и 21, выходы 22 и 23 которых соединены с объединенными логикой НЕ-ИЛИ входами преобразователя напряжение - длительность широтно-импульсного модулятора 24, выход 25 которого соединен со входом усилителя мощности 26, выход 27 которого подключен к обмотке возбуждения 2. Устройство содержит также элемент индикации 28, подключенный к стабилизатору напряжения, интегрирующие конденсаторы 29 и 31, регулировочный резистор установки величины тока возбуждения 30 и резистор регулировки величины выходного тока сварочного генератора 32. Цепь запуска генератора 1 содержит резистор 33 и кнопку 34, подключенные параллельно выходу 27 усилителя мощности 26.

Устройство работает следующим образом.

После разгона ротора генератора 1 на его силовых клеммах 5 и 6 индуцируется начальное напряжение, поступающее в схему устройства. Величина этого напряжения определяется, в частности, остаточной намагниченностью элементов магнитопровода генератора 1 и в отсутствие тока обмотки возбуждения 2 не превышает нескольких вольт, поэтому схема устройства находится в нерабочем состоянии и индикатор 28 выключен. При замыкании контактов кнопки 34 происходит соединение минусового вывода 11 обмотки возбуждения 2 с выводом 5 выпрямителя 4 через резистор 33. При этом в случае разомкнутой цепи сварочного электрода 8 в цепи обмотки возбуждения 2 возникает ток, увеличивающий намагничивающую силу статора генератора 1, что приводит к возрастанию напряжения +U_Г на выводе 6 и вызывает самовозбуждение генератора 1 через образовавшийся контур обратной связи.

При заданном значении напряжения +U_Г происходит запуск стабилизатора напряжения 13 и на все узлы схемы устройства подается напряжение питания +U_СС. Индикатор 28 включается, после чего цепь запуска может быть разомкнута. Размыкание контактов кнопки 34 автоматически соединяет выход 27 усилителя мощности 26 с обмоткой возбуждения 2 и устройство переходит в рабочий режим. Подача на схему устройства питающего напряжения +U_СС приводит к появлению на выходе узла 15 опорного напряжения +U_ОП, поступающего на токовые входы преобразователей 18 и 19 и на неинвертирующие входы усилителей 20 и 21, а также к появлению импульсов на выходе 25 преобразователя 24, которые усиливаются по мощности усилителем 26 и подаются на обмотку возбуждения 2 генератора 1. Длительность этих импульсов в момент запуска стабилизатора напряжения 13 после размыкания контактов кнопки 34 будет максимальна и близка по своей величине к периоду следования последних, поскольку напряжение питания только что начало возрастать, конденсаторы 29 и 31 разряжены, напряжения на инвертирующих входах усилителей 20 и 21 равны нулю, поэтому равны нулю их коэффициенты передачи и напряжения на выходах последних. Это приводит к тому, что к обмотке возбуждения 2 генератора 1 прикладывается почти полное напряжение +U_Г, ток через нее продолжает возрастать, что приводит к еще большему увеличению значения напряжения +U_Г. Одновременно с этим увеличивается и падение напряжения на резистивном элементе 9, по которому протекает ток обмотки возбуждения 2, что вызывает увеличение выходного тока преобразователя 19, создающего падение напряжения на регулировочном резисторе 32 и интегрирующем конденсаторе 31, в результате чего напряжение на инвертирующем входе усилителя 21 также возрастает. До тех пор, пока это напряжение меньше опорного, поступающего на неинвертирующий вход этого же усилителя, выходное напряжение последнего равно нулю и не изменяет длительности формируемых преобразователем 24 импульсов, т.е. не оказывает влияния на изменение тока обмотки возбуждения генератора 1. Как только напряжение на резисторе 32 возрастет до величины, несколько меньшей напряжения на неинвертирующем входе усилителя 21, его коэффициент передачи начнет возрастать, что приведет к увеличению его выходного напряжения и уменьшению длительности формируемых преобразователем 24 импульсов, т.е. к стабилизации тока обмотки возбуждения 2 на заданном уровне.

Таким образом происходит формирование тока возбуждения генератора 1, определяющего напряжение холостого хода последнего, причем величина этого тока может быть изменена регулировочным резистором 32, задающим уровень стабилизации. При этом, поскольку цепь сварочного электрода 8 разомкнута, падение напряжения на резистивном элементе 7 равно нулю, напряжение на инвертирующем входе усилителя 20 меньше опорного, выходное напряжение этого усилителя также равно нулю и он не оказывает влияния на длительность формируемых широтно-импульсным модулятором 24 импульсов, т.е. на ток обмотки возбуждения генератора 1.

При увеличении тока в цепи сварочного электрода 8 увеличивается падение напряжения на резистивном элементе 7, что приводит в итоге к увеличению напряжения на инвертирующем входе усилителя 20, но, как и в ранее рассмотренном случае, его выходное напряжение будет равно нулю и этот усилитель не будет оказывать влияния на ток обмотки возбуждения 2 генератора 1 до тех пор, пока напряжение на резисторе 30 и интегрирующем конденсаторе 29 не возрастет до значения, несколько меньшего величины опорного напряжения. Как только во время действия очередного импульса широтно-импульсного модулятора 24 это произойдет, выходное напряжение усилителя 20 увеличится, что приведет к уменьшению длительности следующего импульса широтно-импульсного модулятора 24 и к уменьшению тока обмотки возбуждения 2 генератора 1. При этом падение напряжения на резистивном элементе 9 уменьшится, что приведет к уменьшению напряжения на инвертирующем входе усилителя 21 ниже порогового и выходное напряжение этого усилителя станет равным нулю, т.е. прекратится формирование тока возбуждения 2 генератора 1, а ток управления, формируемый с этого момента усилителем 20, будет изменяться от первоначальной величины тока возбуждения обратно пропорционально изменению тока в цепи сварочного электрода 8, т.е. тока сварочной дуги до тех пор, пока величина последнего не станет меньше некоторого заданного значения, определяемого резистором 30 (аналогично рассмотренной выше ситуации с резистором 32).

Так происходит формирование тока управления генератора 1, определяющего значение величины выходного тока последнего. При разрыве сварочной дуги или уменьшении величины тока в цепи сварочного электрода 8 ниже определенного значения процессы в схеме устройства происходят в обратном порядке: напряжение на инвертирующем входе усилителя 20 уменьшается, что приводит к уменьшению его коэффициента передачи и выходного напряжения до нуля, т.е. формирование тока управления генератора 1 прекращается. При этом увеличивается длительность импульсов на выходе 25 широтно-импульсного модулятора 24, что вызывает увеличение тока обмотки возбуждения 2 генератора 1 и выходного напряжения последнего. Возрастающее при этом падение напряжения на резистивном элементе 9 приводит в итоге к увеличению коэффициента передачи и выходного напряжения усилителя 21, уменьшающего длительность импульсов на выходе 25 широтно-импульсного модулятора 24, т.е. к формированию тока возбуждения генератора 1, имеющего прежнее значение.

Таким образом, устройство формирует внешнюю вольт-амперную характеристику сварочного генератора, крутизна и напряжение холостого хода которого остаются постоянными при изменении заданного значения тока сварочной дуги во всем диапазоне регулирования. При этом, т.к. примененный электромашинный генератор напряжения имеет низкие значения величин внутренних реактивных сопротивлений, время установления тока сварочной дуги определяется, в основном, параметрами схемы устройства и не возрастает при уменьшении заданного значения величины тока сварочной дуги, что положительно сказывается на качестве сварного шва при работе с тонколистовыми материалами.

Поскольку пороговые усилители 20 и 21 имеют достаточно высокие значения коэффициентов передачи в режиме усиления, это приводит к формированию внешней вольт-амперной характеристики сварочного генератора, имеющей большую крутизну. Регулируя коэффициент передачи усилителя 20 можно изменять крутизну сформированной внешней вольт-амперной характеристики сварочного генератора, независимо от заданного значения напряжения холостого хода последнего, в широких пределах - от значения крутизны внешней вольт-амперной характеристики примененного электромашинного генератора 1, т.е. генератора напряжения, имеющего пологопадающую или жесткую внешнюю вольт-амперную характеристику, до вертикально падающей (крутопадающей), что может быть необходимо для оптимизации процесса сварки в различных условиях. Изменением величины сопротивления регулировочного резистора 32 можно устанавливать заданное значение напряжения холостого хода сварочного генератора и максимальный уровень его выходной мощности без изменения крутизны сформированной внешней вольт-амперной характеристики в пределах этого уровня. Это позволяет адаптировать такой сварочный генератор к параметрам внешнего источника механической мощности, а также автоматизировать процесс управления самим сварочным генератором.

Из диаграммы, на которой приведено семейство падающих внешних вольт-амперных характеристик сварочного генератора, видно, что все они (II) начинаются из одной точки, т.е. начальное напряжение всех внешних вольт-амперных характеристик имеет одно и тоже постоянное значение, равное величине напряжения холостого хода сварочного генератора, и не зависит от заданного оператором значения тока сварочной дуги. Поскольку регулировка выходного тока такого генератора определяется формированием тока управления, значение крутизны его внешней вольт-амперной характеристики также не зависит от значения величины выходного тока. То есть напряжение холостого хода такого генератора не зависит от заданного тока сварочной дуги, а все его внешние вольт-амперные характеристики пересекают нагрузочную прямую (III) под одним и тем же углом.

Изобретение относится к области сварки и может найти применение в различных отраслях машиностроения. Изменяют величину тока обмотки возбуждения электромашинного генератора с помощью контура обратной связи. Для этого задают постоянное опорное напряжение, пропорционально которому осуществляют формирование первого управляющего сигнала. Измеряют выходной ток электромашинного генератора, преобразуют измеренную величину выходного тока в напряжение, которое затем сравнивают с опорным. При превышении преобразованной величины напряжения над опорной осуществляют формирование второго управляющего сигнала, начальное значение которого устанавливают равным значению первого управляющего сигнала. Изменяют значение второго управляющего сигнала обратно пропорционально изменению измеренной величины выходного тока электромашинного генератора. Первый управляющий сигнал отключают. При уменьшении величины выходного тока ниже установленного значения величину первого управляющего сигнала восстанавливают до первоначальной, а второй управляющий сигнал отключают. Этим достигается повышение крутизны внешней вольт-амперной характеристики сварочного генератора, напряжение холостого хода которого остается постоянным во всем диапазоне регулирования тока сварочной дуги. В устройстве последовательная цепь запуска состоит из кнопки (34) с нормально разомкнутыми контактами и резистора (33), подключенного к общему проводу устройства. Контур обратной связи (16) образован датчиком (7) тока дуги и датчиком (9) тока обмотки возбуждения, преобразователями (18 и 19) типа напряжение - ток и пороговыми усилителями (20 и 21). Стабилизатор напряжения (13) подключен параллельно выходу трехфазного выпрямителя (4) и соединен со входом источника опорного напряжения (15), подключенным на выходе к неинвертирующим входам двух пороговых усилителей (20 21) и токовым входам преобразователей (18 и 19) типа напряжение - ток. Измерительные входы (17) соединены с датчиками тока дуги и тока обмотки возбуждения (7 и 9) и выходы подключены к соединенным с общим проводом устройства регулировочным резисторам (30 и 31) и интегрирующим конденсаторам (29 и 31). Преобразователи типа напряжение - ток через пороговые усилители (20 и 21) подключены к объединенным логикой НЕ-ИЛИ входам широтно-импульсного модулятора (24), выход (25) которого через усилитель мощности (26) соединен с обмоткой (2) возбуждения и последовательной цепью запуска. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ формирования внешней вольт-амперной характеристики сварочного генератора постоянного тока, включающий изменение величины тока обмотки возбуждения электромашинного генератора с помощью контура обратной связи, в котором осуществляют формирование двух управляющих сигналов, отличающийся тем, что задают постоянное опорное напряжение, пропорционально которому осуществляют формирование первого управляющего сигнала, измеряют выходной ток электромашинного генератора, преобразуют измеренную величину выходного тока в напряжение, которое затем сравнивают с опорным, при превышении преобразованной величины напряжения над опорной осуществляют формирование второго управляющего сигнала, начальное значение которого устанавливают равным значению первого управляющего сигнала, изменяют значение второго управляющего сигнала обратно пропорционально изменению измеренной величины выходного тока электромашинного генератора, и первый управляющий сигнал отключают, а при уменьшении величины выходного тока ниже установленного значения, величину первого управляющего сигнала восстанавливают до первоначальной, а второй управляющий сигнал отключают. 2. Устройство формирования внешней вольт-амперной характеристики сварочного генератора постоянного тока, содержащее электромашинный генератор напряжения с обмоткой возбуждения и силовым трехфазным выпрямителем, отрицательный вывод которого соединен с общим проводом устройства, а положительный вывод подключен к сварочному электроду, контур обратной связи и регулировочные резисторы, отличающееся тем, что оно снабжено источником опорного напряжения, двумя пороговыми усилителями, широтно-импульсным модулятором, усилителем мощности, двумя интегрирующими конденсаторами, последовательной цепью запуска, стабилизатором напряжения, преобразователями типа напряжение - ток, датчиками тока дуги и тока обмотки возбуждения, при этом последовательная цепь запуска состоит из кнопки с нормально разомкнутыми контактами и резистора, подключенного к общему проводу устройства, контур обратной связи образован датчиком тока дуги и датчиком тока обмотки возбуждения, преобразователями типа напряжение - ток и пороговыми усилителями, стабилизатор напряжения подключен параллельно выходу трехфазного выпрямителя и соединен со входом источника опорного напряжения, подключенным на выходе к неинвертирующим входам двух пороговых усилителей и токовым входам преобразователей типа напряжение - ток, измерительные входы которых соединены с датчиками тока дуги и тока обмотки возбуждения и выходы которых подключены к соединенным с общим проводом устройства регулировочным резисторам и интегрирующим конденсаторам, преобразователи типа напряжение - ток через пороговые усилители подключены к объединенным логикой НЕ-ИЛИ входам широтно-импульсного модулятора, выход которого через усилитель мощности соединен с обмоткой возбуждения и последовательной цепью запуска.