ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ Российский патент 2006 года по МПК B23K9/10 

Изобретение относится к области дуговой сварки металлов плавящимися электродами, в частности к электросварочным аппаратам переменного тока. Источник предназначен для сварки металлоконструкций и изделий различной толщины при производстве строительных и монтажных работ в строительстве, в коммунальном хозяйстве, в быту и других областях промышленности.

Известен источник питания для дуговой сварки, выбранный в качестве аналога (см. кн. Оборудование для дуговой сварки. Справочное пособие /Под ред. В.В.Смирнова - Л.: ЭАИ,1986, с.378, рис.8-16; е, ж), содержащий силовой трансформатор, подключенный первичной обмоткой через двухполупериодный ключ к питающей сети, и вторичную обмотку, соединенную с зажимами нагрузки, и двухобмоточный повышающий трансформатор, обмотки которого подсоединены параллельно обмоткам силового трансформатора через последовательно соединенные конденсаторы.

Недостатком такого источника питания является неудовлетворительные массогабаритные показатели и нестабильность амплитуды высоковольтного возбуждающего импульса инициирующего дугу, сложность настройки параметров стабилизирующего импульса.

Известен также источник питания для дуговой сварки (см., например, а. с. №925571 (СССР), В 23 к 9 /00, опубл. в БИ 1982, №17), содержащий трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к питающей сети через двухполупериодный ключ, и двумя вторичными обмотками, которые соединены параллельно и последовательно с двумя вторичными обмотками индуктивности, а ее первичная обмотка через последовательный конденсатор подключена параллельно первичной обмотке трансформатора.

Недостатком устройства-аналога является потеря управляемости тиристоров в режимах близких к холостому ходу, разность частот сети и колебательного контура, снижающих эффективность зажигания дуги; повышенное значение тока, потребляемого из сети.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является источник питания дуговой сварки, выбранный в качестве прототипа (см. статью Шадрина Г.А., Кондратьева Ю.А. Источник питания для дуговой сварки с ограничением тока и напряжения холостого хода. В сб.: Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы. Вестник УГПУ-УПИ, часть 2, Екатеринбург, 2003, с.306, рис.1)

Источник содержит трансформатор с трехстержневым магнитопроводом и с двумя первичными обмотками, расположенными на крайних стержнях, подключенными к питающей сети: одна - непосредственно, а другая - через двухполупериодный ключ, блок управления и вторичную обмотку, размещенную на всех стержнях и соединенную с нагрузкой.

Недостатком устройства-прототипа является неустойчивость зажигания, повышенный расход обмоточных проводов и электротехнической стали, вызванный тем, что необходимо иметь напряжение холостого хода в пределах 65-75В и более.

Целью изобретения является повышение надежности возбуждения дуги и стабилизации ее горения, снижение габаритной мощности за счет уменьшения расхода активных материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в источник питания для дуговой сварки, содержащий трансформатор с трехстержневым магнитопроводом, с двумя первичными обмотками, размещенными на крайних стержнях, одна из которых подключена непосредственно к питающей сети, а вторая, зашунтированная резистором, подключена к питающей сети через двухполупериодный ключ, и размещенной на всех стержнях вторичной обмоткой, соединенной с нагрузкой, и блок управления, в него введены конденсаторы, импульсный трансформатор и встречно-параллельно соединенные тиристоры с отсекающими диодами, подключенные к питающей сети, причем конденсаторы включены между общими точками соединения тиристоров с диодами и первичной обмоткой импульсного трансформатора, соединенной с выводом второй первичной обмотки, вторичные обмотки упомянутых трансформаторов соединены параллельно, а управляющие входы тиристоров подключены к блоку управления.

Анализ известных технических решений в области дуговой сварки позволяет сделать выводы об отсутствии в них признаков, сходных с существенными признаками в заявляемом источнике питания, и признать решение, соответствующее критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения заключается в том, что конденсаторы в один полупериод накапливают энергию а в следующий полупериод, разряжаясь, возвращают энергию в нагрузку в виде возбуждающего импульса с постоянной амплитудой, совпадающего с фазой напряжения холостого хода, трансформируемого в междуговой промежуток. Разрядный импульс конденсатора создает условия для надежного перехода искрового разряда импульса в дуговой разряд источника питания (сварочного трансформатора с трехстержневым магнитопроводом).

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема источника питания для дуговой сварки, а на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.

Источник питания содержит трансформатор 1 с трехстержневым магнитопроводом, с двумя первичными обмотками 2 и 3, подключенными к питающей сети 4, которая может быть трехфазной (четырехпроводной) или одно (двух) фазной.

Обмотка 2 подключена к питающей сети через двухполупериодный ключ на тиристорах 5 и 6. Вторичная обмотка 7, состоящая из секций 7а,7б,7в, размещена на всех стержнях магнитопровода трехстержневого трансформатора 1 и подключена к нагрузке 8, т.е. к междуговому промежутку. Встречно - параллельно соединенные тиристоры 9 и 10 с отсекающими диодами 11 и 12 подключены к зажимам питающей сети. Между общими точками соединениями тиристоров 9 и 10 с отсекающими диодами 11,12 и выводом первичной обмотки 2 через первичную обмотку 13 импульсного трансформатора 14 подключены конденсаторы 15 и 16.

Управляющие входы тиристоров 5, 6 и 9, 10 подключены к блоку управления 17. Вторая первичная обмотка 2 зашунтирована резистором 18. Вторичные обмотки 7 трансформатора 1 и 19 импульсного трансформатора 14 соединены параллельно.

Принцип работы устройства по фиг.1 рассмотрим для случая параллельного соединения первичных обмоток 2 и 3, подключенных к двухпроводной питающей сети 4. Конденсаторы 15 и 16 в свой полупериод напряжения 20 предварительно заряжаются до амплитуды напряжения 20 (фиг.2) полярностью, соответствующей полярности питающей сети 4, приведенной на фиг.1, - кривые 21 и 22.

При подаче напряжения 20 (фиг.2) питающей сети по первичной обмотке 3 (фиг.1) начинает протекать синусоидальный ток, который наводит основной магнитный поток Ф₀. В магнитопроводе поток Ф₀ разветвляется, замыкаясь по среднему и второму крайнему стержню, при этом в секции W_7в обмотки 7(фиг.1) индуктируется обратная ЭДС (напряжение), под действием которого через диод 11, первичную обмотку 13 трансформатора 14 и обмотку 2 трансформатора 1, конденсатор 15 подзаряжается - кривая 21 (фиг.2). Трансформируемое во вторичную обмотку 7(фиг.1) напряжение будет минимальным, в пределах 12-20 В. Около 2/3 всех витков вторичной обмотки 7 размещено на среднем стержне, остальные - на крайних стержнях.

При заданном угле α=α_k (фиг.2) импульсами с блока 17 (фиг.1) управления одновременно открываются тиристоры 5 и 9. Через тиристор 5 по первичной обмотке 2 начинает протекать ток 23 (фиг.2), создающий свой регулируемый магнитный поток Ф_р. Поток Ф_р изменяет свое направление на противоположное и в среднем стержне потоки Ф₀ и Ф_р суммируются, наводя в витках секции W_7б обмотки 7(фиг.1) практически двойную ЭДС на виток по сравнению с ЭДС на виток первичных обмоток 2 и 3.

Трансформируемый разрядный импульс 24(фиг.2) конденсатора 15 (фиг.1), совпадающий по фазе с напряжением холостого хода на вторичной обмотке 7(фиг.1) через обмотку 19 импульсного трансформатора 14 и обмотку 7 трехстержневого трансформатора 1(фиг.1) прикладывается к дуговому промежутку нагрузки 8(фиг.1).

В дуге выделяется мощность, которая определяется суммой трансформируемых мощностей, передаваемой от питающей сети и разрядного импульса

где u, i - мгновенные значения напряжения и тока;

С, U₃ - емкость конденсатора и напряжение зарядки на его обкладках;

t_p - время разрядки конденсатора.

Возбуждающий импульс 24(фиг.2), трансформируемый в обмотку 19(фиг.1) трансформатора 14 и обмотку 7 трехстержневого трансформатора 1, создает напряжение искрового пробоя, которое накладывается на напряжение холостого хода трансформатора и происходит дуговой разряд.

Полярность напряжения холостого хода источника питания по фазе совпадает с напряжением разрядных импульсов 24(фиг.1) стабильной амплитуды, что и обеспечивает стабильность возбуждения и горения дуги. После загорания дуги напряжение на дуговом промежутке 8(фиг.1) в нагрузке снижается до напряжения 25(фиг.2) горения дуги U_∂=20+0.04I_∂,

где Ud, Id - напряжение и ток дуги.

Конденсатор 15(фиг.1) по окончании разрядки на обмотки 2 трехстержневого трансформатора и 13 импульсного трансформатора 14 перезаряжается рабочим током обмотки 2, полярностью, показанной на фиг.1 без скобок. Тиристор 9 запирается и только после смены полярности напряжения 20(фиг.2) питающей сети конденсатор 15(фиг.1) разряжается и перезаряжается полярностью напряжения 21(фиг.2), приведенной на (фиг.1) в скобках.

В отрицательный полупериод напряжения 20(фиг.2) питающей сети процессы повторяются, но теперь вступают в работу тиристоры 6 и 10, диод 12 и конденсатор 16(фиг.1), напряжение, на обкладках которого показано кривой 22(фиг.2) без скобок.

При питании от четырехпроводной сети одна первичная обмотка подключена на линейное напряжение, а вторая - на фазное. Отличие процессов состоит в том, что в среднем стержне магнитопровода 1(фиг.1) потоки Ф₀ и Ф_р сдвинуты на 90° относительно друг друга, поэтому суммируются геометрически. Следовательно, геометрически будут суммироваться ЭДС секций W_7а,W_7б u W_7в вторичной обмотки 7.

Таким образом, введение устройства возбуждения на тиристорах с отсекающими диодами, накопление энергии конденсаторами в разные полупериоды напряжения питающей сети и передача энергии в виде разрядного импульса в дуговой промежуток в фазе с напряжением холостого хода позволяет снизить напряжение холостого хода примерно на 25 В, т.е. уменьшить число витков вторичной обмотки источника питания. За счет увеличения коэффициента трансформации почти в 1,5 раза можно снизить габаритную мощность трехстержневого трансформатора, использовать для намотки первичных обмоток провод меньшего сечения, уменьшить массу стали магнитопровода.

За счет импульсного трансформатора 14 увеличивается амплитуда возбуждающего импульса в нагрузке 8, поскольку на напряжение холостого хода накладывается двойной импульс возбуждения. Для надежного зажигания и горения дуги достаточно длительности разрядного импульса t_p=100-200мкс, импульсного тока разрядки конденсатора 60-100 А и амплитуды напряжения поджигающих импульсов 400-600 В.

Улучшение условий возбуждения и стабилизации горения дуги позволяет на более качественном уровне производить сварочные работы.

Предлагаемый источник питания для дуговой сварки может быть изготовлен на любые мощности. С целью равномерной загрузки трехфазной сети сварочный источник питания мощностью свыше 20 кВА следует подключать к трехфазной (четырехпроводной) сети. Данный источник питания можно также использовать при точечной сварке.

Изобретение относится к области дуговой сварки металлов плавящимися электродами, в частности к источнику питания для дуговой сварки, и может быть использовано для сварки металлоконструкций и изделий различной толщины во многих областях промышленности. Источник питания содержит трансформатор со трехстержневым магнитопроводом (1), двумя первичными обмотками, размещенными на крайних стержнях, одна из которых подключена непосредственно к питающей сети, а вторая, зашунтированная резистором (18), подключена к питающей сети через двухполупериодный ключ на тиристорах (5) и (6), и размещенной на всех стержнях вторичной обмоткой, соединенной с нагрузкой, и блок управления (17). В источник введены конденсаторы (15) и (16), импульсный трансформатор(14) и встречно-параллельно соединенные тиристоры (9) и (10) с отсекающими диодами (11) и (12), подключенные к питающей сети. Конденсаторы (15) и (16) включены между общими точками соединения тиристоров (9) и (10) с диодами (11) и (12) и первичной обмоткой импульсного трансформатора (14), соединенной с выводом второй первичной обмотки. Вторичные обмотки трансформаторов соединены параллельно, а управляющие входы тиристоров подключены к блоку управления (17). В результате достигается повышение надежности возбуждения и стабилизации горения дуги и снижение габаритной мощности сварочного аппарата за счет уменьшения расхода активных материалов. 2 ил.

Источник питания для дуговой сварки, содержащий трансформатор со трехстержневым магнитопроводом, двумя первичными обмотками, размещенными на крайних стержнях, одна из которых подключена непосредственно к питающей сети, а вторая, зашунтированная резистором, подключена к питающей сети через двухполупериодный ключ на тиристорах, и размещенной на всех стержнях вторичной обмоткой, соединенной с нагрузкой, и блок управления, отличающийся тем, что в него введены конденсаторы, импульсный трансформатор и встречно-параллельно соединенные тиристоры с отсекающими диодами, подключенные к питающей сети, причем конденсаторы включены между общими точками соединения тиристоров с диодами и первичной обмоткой импульсного трансформатора, соединенной с выводом второй первичной обмотки, вторичные обмотки трансформаторов соединены параллельно, а управляющие входы тиристоров подключены к блоку управления.