УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВАРКИ ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ Российский патент 2005 года по МПК B23K9/06 H05B7/144 

Изобретение относится к области сварки и может быть использовано для сварки на переменном токе покрытыми электродами и неплавящимся электродом в защитных газах.

Известно устройство для возбуждения электрической дуги переменного тока, содержащее источник питания дуги, импульсный трансформатор, зарядную цепь и разрядный контур, образованный разрядным (накопительным) конденсатором, тиристором и первичной обмоткой импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого включена в сварочную цепь (Патент РФ №2173618, В 23 К 9/067, опубл. 20.09.2001).

В этом устройстве импульсный трансформатор снабжен второй высоковольтной вторичной обмоткой. Зарядная цепь состоит из высоковольтного колебательного контура, образованного параллельно включенными конденсатором и индуктивностью, разрядника, разделительного конденсатора и высоковольтного накопительного конденсатора. Высоковольтный накопительный конденсатор через разрядник параллельно подключен к высоковольтному колебательному контуру, который включен последовательно с источником питания дуги и параллельно с первой высоковольтной вторичной обмоткой. Разрядник последовательно соединен со второй высоковольтной вторичной обмоткой, параллельно подсоединенной через разделительный конденсатор к источнику питания дуги.

Достоинствами устройства являются высокая стабильность дугового разряда, надежность и безопасность устройства, достаточно небольшие его габариты.

Недостатками являются: ограничение на величину емкости разрядного (накопительного) конденсатора, а следовательно, на энергию искрового разряда; величина емкости накопительного конденсатора ограничена мощностью повышающего трансформатора, и для повышения его мощности необходимо увеличивать его габариты; сложность схемы и конструкции, что снижает надежность устройства в целом.

Наиболее близким является устройство для сварки переменным током, содержащее однофазный сварочный трансформатор, выполненный с первичной обмоткой и с вторичной обмоткой, защитный конденсатор, включенный параллельно вторичной обмотке однофазного сварочного трансформатора, систему управления (импульсный генератор), повышающий трансформатор, выполненный с первичной обмоткой и с вторичной обмоткой, причем первичная обмотка повышающего трансформатора подсоединена к выходу системы управления (импульсному генератору), разрядный конденсатор, искровой разрядник, сварочную нагрузку и дроссель, причем разрядный конденсатор и дроссель соединены параллельно вторичной обмотке повышающего трансформатора, и первым выводом вторичная обмотка повышающего трансформатора, разрядного конденсатора и дросселя соединены с первым выводом вторичной обмотки однофазного сварочного трансформатора, а искровой разрядник установлен между вторым выводом разрядного конденсатора и вторым выводом дросселя, второй вывод которого через сварочную нагрузку соединен со втором выводом вторичной обмотки однофазного сварочного трансформатора (Патент РФ №2062685, В 23 К 9/06, опубл. 27.06.1996).

В этом устройстве система управления выполнена на основе импульсного генератора. Устройство дополнительно содержит конденсатор и тиристор. Второй вывод первичной обмотки повышающего трансформатора через конденсатор соединен с тиристором и диодом, при этом диод включен встречно-параллельно тиристору. Таким образом, выход импульсного генератора системы управления подсоединен к первичной обмотке повышающего трансформатора через тиристор. Вход системы управления подсоединен непосредственно к вторичной обмотке однофазного сварочного трансформатора.

Достоинством этого устройства является уменьшение потребляемого тока.

Недостатками являются: ограничение на величину емкости разрядного конденсатора, а следовательно, и на энергию искрового разряда; величина емкости разрядного конденсатора ограничена мощностью импульсного генератора и повышающего трансформатора, и для повышения его мощности необходимо увеличивать их габариты; небольшая длина разрядного промежутка при поджиге дуги, что связано с шунтирующим действием паразитной емкости кабеля горелки.

Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик, повышение качества и надежности.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - увеличение величины разрядного промежутка, требуемого для уверенного неконтактного поджига дуги, повышение энергии искрового разряда без увеличения мощности и габаритов повышающего трансформатора и импульсного генератора.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном устройстве для сварки переменным током, содержащем однофазный сварочный трансформатор, выполненный с первичной обмоткой и с вторичной обмоткой, защитный конденсатор, включенный параллельно вторичной обмотке однофазного сварочного трансформатора, импульсный генератор, повышающий трансформатор, выполненный с первичной обмоткой и с вторичной обмоткой, причем первичная обмотка повышающего трансформатора подсоединена к выходу импульсного генератора, разрядный конденсатор, искровой разрядник, сварочную нагрузку, диод и дроссель, причем разрядный конденсатор и дроссель соединены параллельно вторичной обмотке повышающего трансформатора, и первый вывод вторичной обмотки повышающего трансформатора, разрядного конденсатора и дросселя соединен с первым выводом вторичной обмотки однофазного сварочного трансформатора, а искровой разрядник установлен между вторым выводом разрядного конденсатора и вторым выводом дросселя, второй вывод которого через сварочную нагрузку соединен со вторым выводом вторичной обмотки однофазного сварочного трансформатора, согласно изобретению вход импульсного генератора подсоединен к первичной обмотке однофазного сварочного трансформатора, а диод подсоединен между вторым выводом вторичной обмотки повышающего трансформатора и вторым выводом разрядного конденсатора.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:

- диод был выполнен из нескольких диодных элементов, соединенных между собой последовательно, в виде диодного столба;

- был введен ключевой элемент, выполненный управляемым, первый вывод вторичной обмотки повышающего трансформатора, разрядного конденсатора и дросселя был соединен с первым выводом вторичной обмотки однофазного сварочного трансформатора через ключевой элемент.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемую фигуру.

Фигура изображает функциональную схему устройства для сварки переменным током.

Устройство для сварки переменным током (фиг.) содержит однофазный сварочный трансформатор 1. Однофазный сварочный трансформатор 1 выполнен с первичной обмоткой 2 и с вторичной обмоткой 3. Защитный конденсатор 4 включен параллельно вторичной обмотке 3. Импульсный генератор 5 связан с однофазным сварочным трансформатором 1 и с повышающим трансформатором 6. Повышающий трансформатор 6 выполнен с первичной обмоткой 7 и с вторичной обмоткой 8. Первичная обмотка 7 повышающего трансформатора 6 подсоединена к выходу импульсного генератора 5 посредством подсоединения ее концов отдельными проводами, как показано на фиг. Устройство также содержит разрядный конденсатор 9, искровой разрядник 10, сварочную нагрузку 11, диод 12 и дроссель 13.

Разрядный конденсатор 9 и дроссель 13 соединены параллельно вторичной обмотке 8 повышающего трансформатора 6. Первый вывод вторичной обмотки 8 повышающего трансформатора 6, разрядного конденсатора 9 и дросселя 13 соединен с первым выводом вторичной обмотки 3 однофазного сварочного трансформатора 1. Искровой разрядник 10 установлен между вторым выводом разрядного конденсатора 9 и вторым выводом дросселя 13. Второй вывод дросселя 13 через сварочную нагрузку 11 соединен со вторым выводом вторичной обмотки 3 однофазного сварочного трансформатора 1.

Вход импульсного генератора 5 подсоединен к первичной обмотке 2 однофазного сварочного трансформатора 1 посредством подсоединения каждого из концов первичной обмотки 2 соответственно отдельными проводами к входу импульсного генератора 5, как показано на фиг. Диод 12 подсоединен между вторым выводом вторичной обмотки 8 повышающего трансформатора 6 и вторым выводом разрядного конденсатора 9.

Конструктивно диод 12 может быть выполнен высоковольтным или из нескольких диодных элементов, соединенных между собой последовательно в виде диодного столба, например, может быть использован прибор КЦ 106 Г.

Может быть введен ключевой элемент 14, выполненный управляемым. Первый вывод вторичной обмотки 8 повышающего трансформатора 6, разрядного конденсатора 9 и дросселя 13 соединен с первым выводом вторичной обмотки 3 однофазного сварочного трансформатора 1 через ключевой элемент 14.

Работает устройство следующим образом.

При включении в сеть однофазного сварочного трансформатора 1 на его вторичной обмотке 3 возникает напряжение холостого хода, недостаточное для бесконтактного поджига дуги, однако при этом включается импульсный генератор 5, и с его выхода импульсы напряжения подаются на первичную обмотку 7 повышающего трансформатора 6. Со вторичной обмотки 8 импульсы повышенного напряжения через диод 12 (высоковольтный или диодный столб) заряжают разрядный конденсатор 9. Напряжение на разрядном конденсаторе растет до достижения напряжения пробоя искрового разрядника 10, при котором происходит искровой разряд, приводящий к появлению на высокочастотном контуре, образованном индуктивностью дросселя 13 и емкостью кабеля горелки сварочной нагрузки 11 высоковольтного высокочастотного импульса напряжения, приложенного к сварочной нагрузке 11.

Этот высокочастотный импульс напряжения вызывает появление искрового разряда между электродом и свариваемым изделием, что приводит к переходу искрового разряда в дуговой за счет поступления электрической энергии непосредственно с вторичной обмотки 3 однофазного сварочного трансформатора 1.

Для обеспечения устойчивого перехода искрового разряда в дуговой работа импульсного генератора 5 синхронизирована с переменным напряжением питающей сети. Эта синхронизация (взаимная привязка во времени) необходима для того, чтобы искровой разряд, ионизирующий газ в рабочем зазоре сварочной нагрузки 11, происходил в моменты времени, когда мгновенное значение напряжения источника переменного тока по величине превосходило бы определенную заданную величину, необходимую для “подхватывания” разряда, т.е. осуществления перехода разряда из искрового в дуговой. Особенно четко это условие должно выполняться для однофазного сварочного трансформатора 1, в выходной цепи которого установлен ключевой элемент 14 (на основе тиристоров, симисторов и др.) для осуществления импульсно-фазового регулирования (на фиг. условно показан ключевой элемент 14 со схемой управления), т.к. в этом случае возможен режим работы, при котором значительную часть периода напряжение на сварочной нагрузке 11 равно нулю. На фиг. ключевой элемент 14 (симистор) подключен последовательно к вторичной обмотке 3 силового трансформатора. В этом случае момент времени, соответствующий образованию искрового разряда, должен на 10-15 угловых градусов опережать максимум напряжения при синусоидальном питающем напряжении и совпадать во времени с моментом запуска ключевого элемента 14, для чего импульсный генератор 5 выполняют с соответствующей временной задержкой.

Импульсно-фазовый регулятор (ключевой элемент 14) может и отсутствовать, т.к. для достижения заявленного технического результата вид переменного тока и схема источника (силового трансформатора 1 с ключевым элементом 14 или без него) для достижения заявленного технического результата значения не имеют.

В отличие от известных аналогов напряжение на разрядном конденсаторе 9 при значительной его величине накапливается в течение нескольких периодов работы импульсного генератора 5, а не за один период. Для обеспечения такого накопления первичная и вторичная обмотки 7 и 8 повышающего трансформатора 6 сфазированы соответствующим образом и обеспечивают такие импульсы напряжения на вторичной обмотке 8, которые приводят к появлению тока в прямом направлении диода 12 (диодного столба), т.е. открывают диод 12. Для обеспечения соответствующего фазирования учитывается полярность импульсов на первичной 7 и вторичной 8 обмотках повышающего трансформатора 6. Знаки * (фиг.) у первичной обмотки 7 и вторичной обмотки 8 означают выводы с одинаковой фазой, т.е. одинаковой полярности импульсов. При указанных на фиг.полярности импульсов на первичной 7 и вторичной 8 обмотках повышающего трансформатора 6 (к аноду диода 12 подключен вывод с положительной полярностью) диод 12 будет открываться импульсами тока и разрядный конденсатор 9 будет соответственно заряжаться. Поэтому напряжение на разрядном конденсаторе 9 ступенчато нарастает за несколько периодов работы импульсного генератора 5 вплоть до напряжения пробоя разрядника 10. Пробои разрядника 10 происходят в моменты времени, соответствующие скачкообразному повышению напряжения на разрядном конденсаторе 9. Условие взаимной синхронизации переменного напряжения и искрового разряда выполняется за счет подключения импульсного генератора 5 к первичной обмотке 2 однофазного сварочного трансформатора 1, к которой подключен и источник образования дуги - вторичная обмотка 3. Поэтому в момент запуска импульсного генератора 5 от первичной обмотки 2 однофазного сварочного трансформатора 1 вырабатывается импульс на первичной обмотке 7 повышающего трансформатора 6. Импульс со вторичной обмотки 8 через диод 12 подзаряжает разрядный конденсатор 9, а следовательно, пиковые значения напряжения на разрядном конденсаторе 9 привязаны во времени к напряжению источника переменного тока.

Выполнение условий синхронизации, как показали испытания, обеспечивается как для сварочных аппаратов, работающих на промышленной частоте сети 50-60 Гц, так и при применении в качестве источников переменного тока инверторов, работающих на повышенных частотах 10-200 кГц.

После зажигания рабочей дуги импульсный генератор 5 можно не отключать и он может продолжать работать, облегчая возникновение дуги после непродолжительных ее погасаниях, например, в кратковременные моменты отсутствия тока. В процессе сварки превалирующую роль в бесконтактном зажигании дуги (после гашения в моменты отсутствия тока) играет столб разогретой плазмы и эмиссия электронов на разогретых свариваемых участках.

В известных аналогах емкость разрядного конденсатора ограничена требованием обеспечения его зарядки до амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке 8 повышающего трансформатора 6 для каждого импульса импульсного генератора 5. Емкость нагрузки из вторичной обмотки 8 пересчитывается в первичную обмотку 7 с коэффициентом k², где k - коэффициент трансформации повышающего трансформатора 6. Отсюда следует значительная нагрузка импульсного генератора 5 при относительно небольших значениях разрядного конденсатора 9. В устройстве, выполненном, например, в соответствии с аналогами, эта емкость составляет величину порядка 100 пФ и не может быть значительно увеличена без существенного снижения напряжения искрового разряда, т.е. энергии искры. Энергия искры, равная накопленной на разрядном конденсаторе 9 электрической энергии, равна CU²/2, где С - емкость разрядного конденсатора 9, a U - напряжение на нем.

Для уверенного бесконтактного поджига сварочной дуги необходимы как достаточно высокое напряжение искрового разряда ~3-10 кВ, так и достаточно высокое значение энергии разряда, которая определяет степень ионизации разрядного промежутка. Невысокая величина емкости С разрядного конденсатора 9 в сравнении с емкостью кабеля горелки приводит к существенному снижению напряжения на кабеле, т.к. накопленный на разрядном конденсаторе 9 заряд в момент пробоя разрядника 10 распределяется на сумму величин емкостей разрядного конденсатора 9 и емкости кабеля. Емкость кабеля реально составляет величину 200-500 пФ, что приводит к появлению на кабеле напряжения порядка 3-6 раз меньше, чем напряжение U на разрядном конденсаторе 9, при этом существенно затруднен бесконтактный поджиг сварочной дуги.

В заявленном устройстве емкость С разрядного конденсатора 9 при сходных с аналогами характеристиках импульсного генератора 5 может составлять величину ~ 1000-5000 пФ, т.е. в 10-50 раз большую. В этом случае напряжение на кабеле горелки практически повторяет величину напряжения на разрядном конденсаторе 9, причем увеличение энергии искрового разряда за счет увеличения емкости разрядного конденсатора 9 в 10-50 раз больше, чем в аналогах. Это обеспечивает благоприятные условия для уверенного неконтактного поджига сварочной дуги.

Испытания заявленного устройства, например, при длине кабеля горелки 3,7 м показывают, что в сравнении с устройствами, выполненным по схемам аналогов по указанным патентам РФ, длина разряда при зажигании увеличивается с 0,5-1,5 мм до 1,3-2,0 мм, а при гашении - с 1,3-1,5 мм до 3,0-4,0 мм, что облегчает работу сварщика и повышает надежность функционирования устройства.

Наиболее успешно заявленное устройство для сварки переменным током промышленно применимо в аппаратах ручной дуговой сварки.

Изобретение может быть использовано для сварки на переменном токе покрытыми электродами и неплавящимся электродом в защитных газах и позволяет увеличить величину разрядного промежутка, повысить энергию искрового разряда без увеличения мощности и габаритов повышающего трансформатора. Устройство содержит однофазный сварочный трансформатор, импульсный генератор, повышающий трансформатор. Первичная обмотка повышающего трансформатора подсоединена к выходу импульсного генератора. Устройство имеет разрядный конденсатор, искровой разрядник, сварочную нагрузку, диод и дроссель. Первый вывод вторичной обмотки повышающего трансформатора, разрядного конденсатора и дросселя соединен с первым выводом вторичной обмотки однофазного сварочного трансформатора. Искровой разрядник установлен между вторым выводом разрядного конденсатора и вторым выводом дросселя. Второй вывод дросселя через сварочную нагрузку соединен со вторым выводом вторичной обмотки однофазного сварного трансформатора. Вход импульсного генератора подсоединен к первичной обмотке однофазного сварочного трансформатора. Диод подсоединен между вторым выводом вторичной обмотки повышающего трансформатора и вторым выводом разрядного конденсатора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для сварки переменным током, содержащее однофазный сварочный трансформатор, выполненный с первичной обмоткой и с вторичной обмоткой, защитный конденсатор, включенный параллельно вторичной обмотке однофазного сварочного трансформатора, импульсный генератор, повышающий трансформатор, выполненный с первичной обмоткой и с вторичной обмоткой, причем первичная обмотка повышающего трансформатора подсоединена к выходу импульсного генератора, разрядный конденсатор, искровой разрядник, сварочную нагрузку, диод и дроссель, причем первые выводы вторичной обмотки повышающего трансформатора, разрядного конденсатора и дросселя соединены с первым выводом вторичной обмотки однофазного сварочного трансформатора, а искровой разрядник установлен между вторым выводом разрядного конденсатора и вторым выводом дросселя, который через сварочную нагрузку соединен со вторым выводом вторичной обмотки однофазного сварочного трансформатора, отличающееся тем, что вход импульсного генератора подсоединен к первичной обмотке однофазного сварочного трансформатора, а диод подсоединен между вторым выводом вторичной обмотки повышающего трансформатора и вторым выводом разрядного конденсатора.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диод выполнен из нескольких диодных элементов, соединенных между собой последовательно.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введен ключевой элемент, выполненный управляемым, а первый вывод вторичной обмотки повышающего трансформатора, разрядного конденсатора и дросселя соединен с первым выводом вторичной обмотки однофазного сварочного трансформатора через ключевой элемент.