УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ ПЛАЗМОТРОНА Российский патент 2008 года по МПК B23K10/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в мощных установках для плазменно-дугового переплава металлов и сплавов, в устройствах, для плазменной сварки, резки, напыления и наплавки и других случаях.

Известно устройство питания плазмотрона, содержащее трехобмоточный силовой трансформатор, управляемый мостовой выпрямитель и неуправляемый мостовой выпрямитель, питающий постоянным током последовательную цепь нагрузки в виде заземленной детали и электрода плазмотрона, дросселя и резистора (см. Александров и др. Источники питания для дуговой и электрошлаковой сварки. Днепропетровск, 1976, с.125).

Недостатком данного устройства является чрезвычайно низкий КПД в связи с протеканием по резистору большого рабочего тока плазмотрона на протяжении всего времени работы плазмотрона. Кроме того, данное устройство не позволяет получить непрерывный ток в дуге при работе в режиме малых токов, а также имеет низкий коэффициент мощности.

Известно устройство питания плазмотрона, содержащее мостовой выпрямитель, вход которого соединен с выводами вторичных обмоток трехфазного силового трансформатора, выход катодной группы выпрямителя соединен с заземленным катодом плазмотрона, выход анодной группы через последовательно соединенные резистор и дроссель связан с анодом плазмотрона, дополнительную группу управляемых вентилей, аноды которых подключены к точке соединения резистора с дросселем, катоды - к отводам вторичных обмоток трансформатора, а управляющие электроды - с выходом блока импульсно-фазового управления, связанного входом с выходом блока формирования закона нарастания тока (см. А.с СССР №495173, Кл. G05F 1/02, 1972).

Недостатком известного устройства является низкий КПД установки, так как резистор, обтекается током на протяжении всего процесса нагрева из-за неполного шунтирования его управляемыми вентилями.

Известно также устройство питания плазмотрона, включающее трехфазный выпрямитель, токоформирующий элемент, дроссель, связанный с катодом плазмотрона, снабженного управляющим электродом, и схему управления плазмотрона (см. а.с. СССР №1668073, В23К 10/02, 1991).

Недостаток этого решения - недостаточно надежный запуск плазмотрона и неустойчивая работа в диапазоне динамических и статических режимов горения плазменной дуги, кроме того, высока вероятность двойного дугообразования.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение надежности запуска плазмотрона и устойчивости его работы, в том числе исключение возможности двойного дугообразования.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении работоспособности устройства за счет повышения продолжительности периода эксплуатации катода.

Для решения поставленной задачи устройство питания плазмотрона, включающее трехфазный выпрямитель, токоформирующий элемент, дроссель, связанный с катодом плазмотрона, снабженного управляющим электродом, и схему управления плазмотрона, отличается тем, что между отрицательным выводом выпрямителя и катодом плазмотрона последовательно включены токоформирующий элемент и дроссель, при этом схема управления плазмотрона содержит осциллятор, первую цепочку, подключенную между отрицательным и положительным выводами выпрямителя и включающую последовательно соединенные первый конденсатор, второй дроссель, резистор и ключ, причем отрицательный вывод цепочки подключен между дросселем и катодом, кроме того, управляющий электрод плазмотрона посредством второй цепочки, содержащей последовательно подключенные второй конденсатор и третий дроссель, подключен к положительному выводу выпрямителя, который также подключен к аноду плазмотрона и заземлен, кроме того, первый вход осциллятора подключен между первым конденсатором и дросселем, а его второй вход подключен к первой цепочке между первым конденсатором и вторым дросселем, при этом первый выход осциллятора подключен к катоду плазмотрона, а его второй выход подключен к управляющему электроду плазмотрона. Кроме того, на выходе выпрямителя, между его отрицательным и положительным выводами подключен фильтрующий конденсатор, а за токоформирующим элементом между отрицательным и положительным выводами выпрямителя подключен диод. Кроме того, в качестве ключа использован динистр. Кроме того, в качестве токоформирующего элемента использован резистор или полупроводниковый ключ, например транзистор. Кроме того, в качестве токоформирующего элемента использованы полупроводниковые ключи, например тиристоры и коммутирующий конденсатор.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи

Наличие токоформирующего элемента обеспечивает при его открытии заряд первого конденсатора до уровня напряжения, превышающего рабочее напряжение между катодом и анодом плазмотрона, и тем самым запуск осциллятора. Осциллятор соответственно вырабатывает высоковольтное напряжение, прикладываемое к управляющему электроду и катоду, что приводит к искровому пробою зазора между этими электродами.

Искровой разряд замыкает электрическую цепь №1 (положительная обкладка первого конденсатора - первая - вторая цепочки - управляющий электрод - искровой промежуток - катод - отрицательная обкладка первого конденсатора) и электрическую цепь №2 (положительная обкладка фильтрующего конденсатора - вторая цепочка - управляющий электрод - искровой промежуток - катод - дроссель - токоформирующий элемент - отрицательная обкладка фильтрующего конденсатора). Электрическая цепь №1 обеспечивает устойчивое зажигание дежурной дуги между управляющим электродом и катодом за счет быстрого импульсного отбора энергии от первого конденсатора (пускового тока). Резистор своим сопротивлением и цепь №1 своим волновым сопротивлением ограничивают максимальное значение пускового тока. Далее одновременно со спадом пускового тока в цепи №1 нарастает ток в цепи №2.

Ток в цепи №1 прекращается, когда напряжение на втором конденсаторе достигает максимального значения.

К моменту, когда ток дежурной дуги достигает максимального значения, плазмообразующий газ, подаваемый под давлением, выдувает плазму из области управляющего электрода в область анода, тем самым замыкается цепь №3 (положительная обкладка фильтрующего конденсатора - анод - плазма - управляющий электрод - плазма - катод - дроссель - токоформирующий элемент - отрицательная обкладка фильтрующего конденсатора). Плазмотрон переходит в рабочий режим работы при ненулевом значении тока дросселя (ток в цепи №2 не равен нулю). Дежурная дуга между управляющим электродом и катодом гаснет за счет спадания пускового тока в цепи №1 и тока в цепи №2 к нулю (второй конденсатор полностью заряжен). Протекает ток только между катодом и анодом (рабочий режим).

Далее, в рабочем режиме работы плазмотрона напряжение на первом конденсаторе значительно падает, что приводит к закрыванию ключа и отключению осциллятора.

При разрыве плазмы (аварийный режим) напряжение между катодом и анодом возрастает, что приводит к открыванию ключа и нарастанию напряжения на первом конденсаторе и, как следствие, выработке на выходе осциллятора высоковольтного напряжения и восстановлению рабочего режима.

Таким образом, взаимодействие токов в описанных цепях, обеспечиваемое заявленным сочетанием элементов и их коммутацией в заявленной схеме, обеспечивает надежный запуск плазмотрона, его устойчивую работу, увеличивает срок службы катода. Отсутствие бросков тока в момент пуска и автоматическое (параметрическое) прерывание дежурной дуги исключает двойное дугообразование (в аналогах дежурная дуга прерывается исключительно за счет газодинамических процессов, что приводит к двойному дугообразованию и выходу плазмотрона из строя).

Указание на использование динистра в качестве ключа обеспечивает всякий раз (когда в результате газодинамических процессов ток дуги будет уменьшаться и приближаться к режиму холостого хода источника питания) открывание динистра, заряжание первого конденсатора и выработку высоковольтного напряжения, восстанавливающего условия для автоматического включения пускового тока и мгновенного восстановления рабочего тока.

Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают оптимальные исходные параметры питания плазмотрона и заданную работу схемы.

Признаки третьего пункта формулы изобретения описывают оптимальное выполнение ключа.

Признаки четвертого и пятого пунктов формулы изобретения обеспечивают плавное регулирование мощности плазменной струи.

На чертеже показаны трехфазный выпрямитель 1 с отрицательным 2 и положительным 3 выводами, токоформирующий элемент 4, дроссель 5, плазмотрон, содержащий катод 6, управляющий электрод 7, анод 8, и схема управления плазмотрона, включающая первую 9 и вторую 10 цепочки, а также осциллятор 11. Первая цепочка 9 включает последовательно соединенные первый конденсатор 12, второй дроссель 13, резистор 14 и ключ 15, предпочтительно динистр. Вторая цепочка 10 содержит последовательно подключенные второй конденсатор 16 и третий дроссель 17. Кроме того, показаны фильтрующий конденсатор 18, включенный на выходе выпрямителя 1, между его отрицательным 2 и положительным выводами 3, и диод 19, подключенный за токоформирующим элементом 4, между отрицательным 2 и положительным 3 выводами выпрямителя 1. Кроме того, показаны заземления 20 и 21.

Названные элементы связаны в схему следующим образом: между отрицательным выводом 2 выпрямителя 1 и катодом 6 плазмотрона последовательно включены токоформирующий элемент 4, дроссель 5. Кроме того, первый вход 22 осциллятора 11 подключен между первым конденсатором и дросселем, а его второй вход 23 подключен к первой цепочке 9 между первым конденсатором 12 и вторым дросселем 13, при этом первый выход 24 осциллятора подключен к катоду 6 плазмотрона, а его второй выход 25 подключен к управляющему электроду 7 плазмотрона.

Первая цепочка 9 подключена между отрицательным 2 и положительным 3 выводами выпрямителя 1, причем отрицательный вывод цепочки подключен между дросселем 5 и катодом 6.

Вторая цепочка 10 подключена между управляющим электродом 7 плазмотрона и положительным выводом 3 выпрямителя 1.

Положительный вывод 3 выпрямителя 1 подключен к аноду 8 плазмотрона и заземлен посредством заземления 20. Выпрямитель заземлен посредством заземления 21.

В качестве трехфазного выпрямителя 1 использован трехфазный управляемый выпрямитель известного типа, рабочие характеристики которого удовлетворяют рабочим параметрам плазмотрона.

В качестве токоформирующего элемента 4 можно использовать: либо токоограничивающий резистор; либо полупроводниковый ключ (например, транзистор), обеспечивающий совместно с диодом 19 и дросселем 5 широтноимпульсное преобразование энергии; либо полупроводниковые ключи (например, тиристоры) и коммутирующий конденсатор для создания схемы конденсаторного преобразования энергии. Последние два варианта обеспечивают плавное регулирование мощности плазменной струи.

В качестве осциллятора 11 используется одна из известных схем, способная вырабатывать высоковольтное напряжение до 20 тыс. вольт.

В качестве остальных элементов устройства используют известные детали и комплектующие сходного назначения, рабочие характеристики которого удовлетворяют рабочим параметрам плазмотрона.

Заявленное устройство работает следующим образом

При включении токоформирующего элемента 4 напряжение с выхода выпрямителя 1 (с фильтрующего конденсатора 18) через открытый ключ 15 по цепи (положительная обкладка фильтрующего конденсатора 18 - первая цепочка 9 - дроссель 5 - токоформирующий элемент 4 - отрицательная обкладка фильтрующего конденсатора 18) происходит заряд первого конденсатора 12.

При достижении на первом конденсаторе 12 уровня напряжения, превышающего рабочее напряжение между катодом 6 и анодом 8, осциллятор 11 вырабатывает высоковольтное напряжение до 20 тыс.вольт, прикладываемое к управляющему электроду 7 и катоду 6. В результате происходит искровой пробой зазора между этими электродами.

Искровой разряд замыкает электрическую цепь №1 (положительная обкладка первого конденсатора 12 - первая 9 - вторая 10 цепочки - управляющий электрод 7 - искровой промежуток - катод 6 - отрицательная обкладка первого конденсатора 12) и электрическую цепь №2 (положительная обкладка фильтрующего конденсатора 18 - вторая цепочка 10 - управляющий электрод 7 - искровой промежуток - катод 6 - дроссель 5 - токоформирующий элемент 4 - отрицательная обкладка фильтрующего конденсатора 18).

Цепь №1 обеспечивает устойчивое зажигание дежурной дуги между управляющим электродом 7 и катодом 6 за счет быстрого импульсного отбора энергии от первого конденсатора 12 (конденсатора пускового тока). Между управляющим электродом 7 и катодом 6 возникает плазменное облачко.

Максимальное значение пускового тока ограничивается активным сопротивлением резистора 14 и волновым сопротивлением цепи №1. Одновременно со спадом пускового тока в цепи №1 нарастает ток в цепи №2. Ток в цепи №1 прекращается, когда напряжение на втором конденсаторе 16 достигает максимального значения.

К моменту, когда ток дежурной дуги (преимущественно ток в цепи №2) достигает максимального значения, воздух (или другой плазмообразующий газ), подаваемый под давлением, выдувает плазму из области управляющего электрода 7 в область анода 8. Замыкается цепь №3 (положительная обкладка фильтрующего конденсатора 18 - анод 8 - плазма - катод 6 - дроссель 5 - токоформирующий элемент 4 - отрицательная обкладка фильтрующего конденсатора 18).

Плазмотрон переходит в рабочий режим работы при ненулевом значении тока дросселя 5 (ток в цепи №2 не равен нулю). Дежурная дуга между управляющим электродом 7 и катодом 6 гаснет за счет спадания пускового тока в цепи №1 и тока в цепи №2 к нулю (второй конденсатор 16 полностью заряжен).

В рабочем режиме работы напряжение на первом конденсаторе 12 значительно падает, что приводит к закрыванию ключа 15 и отключению осциллятора 11.

Взаимодействие токов во всех трех цепях обеспечивает надежный запуск плазмотрона, устойчивую работу, увеличивает срок службы катода. Отсутствие бросков тока в момент пуска и автоматическое (параметрическое) прерывание дежурной дуги исключает двойное дугообразование (в аналогах дежурная дуга прерывается исключительно за счет газодинамических процессов, что приводит к двойному дугообразованию и выходу плазмотрона из строя).

Поскольку в качестве ключа 15 используется динистр, то всякий раз, когда в результате газодинамических процессов ток дуги будет уменьшаться и приближаться к режиму холостого хода источника питания, ключ будет открываться, заряжаться первый конденсатор 12 и осциллятором 11 будет вырабатываться высоковольтное напряжение, восстанавливающее условия для автоматического включения пускового тока плазмотрона и мгновенного восстановления его рабочего тока.

Использование: в установках для плазменно-дугового переплава металлов, плазменной сварки резки и т.д. Технический результат заключается в повышении надежности запуска плазмотрона и устойчивости его работы. Устройство включает трехфазный выпрямитель, между отрицательным выводом которого и катодом плазмотрона последовательно включены токоформирующий элемент и дроссель, схему управления плазмотрона, содержащую осциллятор, первую цепочку, содержащую последовательно соединенные первый конденсатор, второй дроссель, резистор и ключ, и подключенную между отрицательным и положительным выводами выпрямителя, причем отрицательный вывод цепочки подключен между дросселем и катодом, кроме того, управляющий электрод плазмотрона посредством второй цепочки, содержащей последовательно подключенные второй конденсатор и третий дроссель, подключен к положительному выводу выпрямителя, который также подключен к аноду плазмотрона и заземлен, кроме того, первый вход осциллятора подключен между первым конденсатором и дросселем, а его второй вход подключен к первой цепочке между первым конденсатором и вторым дросселем, при этом первый выход осциллятора подключен к катоду плазмотрона, а его второй выход подключен к управляющему электроду плазмотрона. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство питания плазмотрона, включающее трехфазный выпрямитель, токоформирующий элемент, дроссель, связанный с катодом плазмотрона, снабженного управляющим электродом и схему управления плазмотрона, отличающееся тем, что между отрицательным выводом выпрямителя и катодом плазмотрона последовательно включены токоформирующий элемент и дроссель, при этом схема управления плазмотрона содержит осциллятор, первую цепочку, подключенную между отрицательным и положительным выводами выпрямителя и включающую последовательно соединенные первый конденсатор, второй дроссель, резистор и ключ, причем отрицательный вывод цепочки подключен между дросселем и катодом, кроме того, управляющий электрод плазмотрона посредством второй цепочки, содержащей последовательно подключенные второй конденсатор и третий дроссель, подключен к положительному выводу выпрямителя, который также подключен к аноду плазмотрона и заземлен, кроме того, первый вход осциллятора подключен между первым конденсатором и дросселем, а его второй вход подключен к первой цепочке между первым конденсатором и вторым дросселем, при этом первый выход осциллятора подключен к катоду плазмотрона, а его второй выход подключен к управляющему электроду плазмотрона.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на выходе выпрямителя, между его отрицательным и положительным выводами подключен фильтрующий конденсатор, а за токоформирующим элементом между отрицательным и положительным выводами выпрямителя подключен диод.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве ключа использован динистр.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве токоформирующего элемента использован резистор или полупроводниковый ключ, например транзистор.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве токоформирующего элемента использованы полупроводниковые ключи, например тиристоры и коммутирующий конденсатор.