СВАРОЧНЫЙ АППАРАТ Российский патент 2023 года по МПК B23K9/95 B23K9/10 

Изобретение относится к области электротехники, в частности преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании и разработке электросварочного оборудования.

Известны различные схемы электросварочных аппаратов, содержащие силовой трансформатор, электромагнитное регулирующее устройство, нерегулируемый или регулируемый выпрямитель с устройством управления и сглаживающий дроссель [1, 2]. Недостатками известных сварочных аппаратов являются большие объем и масса и низкий КПД.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, которое может быть условно принято за прототип, является сварочный аппарат, содержащий силовой трансформатор, регулирующее устройство, мостовой выпрямитель и сглаживающий дроссель [1]. Основными недостатками этого аппарата также являются большие объем и масса трансформатора и регулирующего устройства и низкий КПД.

В предлагаемом сварочном аппарате решена задача снижения объема и массы входящих в него элементов и повышение КПД. Для достижения технического результата из схемы исключен силовой трансформатор и заменен балластными и накопительным конденсаторами сверхвысокой электрической энергии, в качестве регулирующего устройства применен импульсный стабилизатор напряжения, содержащий ключевой регулирующий транзисторный элемент и устройство управления, обеспечивающее стабилизацию выходного напряжения аппарата. В схеме применены импульсные конденсаторы (молекулярные накопители) сверхвысокой электрической энергии [3, 4, 6].

На фиг. 1 представлена структурная схема сварочного аппарата.

Сварочный аппарат содержит магнитный пускатель 1, однофазный или трехфазный мостовой выпрямитель 2, сглаживающий дроссель 3, включенный в выходную цепь, а также балластные неполярные конденсаторы 4 и накопительный конденсатор сверхвысокой электрической энергии 5, импульсный стабилизатор напряжения, состоящий из ключевого регулирующего транзисторного элемента 6, устройства управления и вспомогательного источника питания 7.

Входные выводы мостового выпрямителя 2 подключены к питающей сети через контакты магнитного пускателя 1 и балластные конденсаторы 4 в каждой фазе питающей сети, к положительному выводу мостового выпрямителя 2 подключен положительный вывод накопительного конденсатора 5 и положительный выходной зажим 8 аппарата, а отрицательный вывод мостового выпрямителя 2 подключен к отрицательному силовому выводу ключевого регулирующего транзисторного элемента 6 импульсного стабилизатора напряжения, положительный силовой вывод ключевого элемента 6 подключен к отрицательному выводу накопительного конденсатора 5 и через сглаживающий дроссель 3 - к отрицательному выходному зажиму 9 аппарата.

В однофазном сварочном аппарате используется один балластный конденсатор 4, а в трехфазном - три конденсатора. В качестве накопительного конденсатора выбран импульсный конденсатор сверхвысокой электрической энергии [3, 4], а вместо одного неполярного балластного конденсатора 4 могут быть применены два включенных встречно-последовательно импульсных конденсатора.

Параллельно балластным 4 и накопительному 5 конденсаторам могут быть включены балластные резисторы 21, 22, обеспечивающие снижение амплитуды импульсов напряжения при переходных процессах.

Устройство управления импульсного стабилизатора напряжения состоит из широтно-импульсного модулятора, включающего в себя задающий генератор 10, генератор пилообразного напряжения 11 и компаратор 12, а также согласующего устройства 13, источника заданного напряжения 14, операционного усилителя 15, источника опорного напряжения 16, делителя выходного напряжения 17, времязадающей RC-цепочки 18 и разделительных диодов 19 и 20.

Крайние выводы делителя выходного напряжения 17 подключены к выводам накопительного конденсатора 5, средняя точка этого делителя подключена к инвертирующему входу операционного усилителя 15, неинвертирущий вход которого подключен к источнику опорного напряжения 16, параллельно которому включена времязадающая RC-цепочка 18, выход операционного усилителя 15 и выход источника заданного напряжения 14 через разделительные диоды 19, 20 подключены к инвертирующему входу компаратора 12, неинвертирующий вход последнего соединен с выходом генератора пилообразного напряжения 11, вход которого подключен к выходу задающего генератора 10, выход компаратора 12 подключен к управляющему входу согласующего устройства 13, выход этого устройства подключен к управляющему входу ключевого регулирующего транзисторного элемента 6.

Питание всех узлов и элементов устройства управления импульсного стабилизатора напряжения осуществляется от вспомогательного источника питания 7, связанного входом с выходными контактами магнитного пускателя 1.

Устройство управления может быть выполнено по другой, отличной от представленной, структурной схеме. Конструктивно устройство управления целесообразно выполнить в виде отдельного узла (модуля).

Сварочный аппарат является замкнутой системой автоматического регулирования с отрицательной обратной связью, в которой обеспечивается плавный заряд накопительного конденсатора 5, а также стабилизация напряжения на его выводах во всех режимах работы аппарата.

В связи с наличием в схеме накопительного конденсатора большой емкости, в устройстве управления импульсного стабилизатора напряжения предусмотрены корректирующие элементы, обеспечивающие плавный заряд этого конденсатора без большого броска тока при включении аппарата после длительного перерыва [5]. После установки магнитного пускателя 1 во включенное положение импульсный стабилизатор напряжения обеспечивает плавное увеличение длительности импульсов напряжения, подаваемых на накопительный конденсатор 5 с небольшим начальным броском зарядного тока.

Сварочный аппарат работает в двух режимах. Первый режим - режим холостого хода, в течение которого сварочный электрод и свариваемые изделия удалены друг от друга. Второй режим - это режим, в течение которого электрод находится на расстоянии 2-4 мм от поверхности изделий и происходит образование сварного шва. Во время второго режима происходят процессы горения дуги и короткого замыкания между электродом и изделиями, длительность этих процессов составляет примерно 0,02-0,05 с.

Сварочный ток обеспечивается за счет энергии, запасенной в накопительном конденсаторе 5, а также энергии, поступающей от питающей сети через балластные конденсаторы 4, мостовой выпрямитель 2, сглаживающий дроссель 3 и ключевой регулирующий транзисторный элемент 6. После зажигания дуги происходит частичный разряд накопительного конденсатора 5. Во время холостого хода, т.е. во время подготовки аппарата к работе, смены электрода и т.д., происходит подзаряд накопительного конденсатора 5.

Сварочный аппарат работает следующим образом.

Во всех режимах работы сварочного аппарата напряжение обратной связи с выводов накопительного конденсатора 5 через делитель выходного напряжения 17 подается на инвертирующий вход операционного усилителя 15, на неинвертирующий вход которого поступает напряжение с выхода источника опорного напряжения 16. Усиленный сигнал рассогласования с выхода операционного усилителя 15 через разделительный диод 19 поступает на инвертирующий вход компаратора 12. На этот же вход через разделительный диод 20 подается напряжение с выхода источника заданного напряжения 14, который служит для запуска импульсного стабилизатора напряжения и для установки амплитуды броска зарядного тока накопительного конденсатора 5 при включении аппарата. На неинвертирующий вход компаратора 12 подаются синхронизирующие импульсы с выхода задающего генератора 10. Частота этих импульсов, т.е. рабочая частота импульсного стабилизатора напряжения, выбирается на один - два порядка выше, чем частота питающей сети.

Широтно-импульсный модулятор, состоящий из задающего генератора 10, генератора пилообразного напряжения 11 и компаратора 12, формирует прямоугольные импульсы напряжения с необходимым коэффициентом заполнения, которые поступают на вход согласующего устройства 13 и далее на управляющий вход ключевого регулирующего транзистора 6.

Корректирующие элементы - источник заданного напряжения 14 и времязадающая RC-цепочка 18 служат для запуска аппарата и уменьшения броска зарядного тока накопительного конденсатора 5, а также обеспечивают плавное нарастание напряжения на его выводах за счет плавного нарастания опорного напряжения до установившегося значения. В начальный момент после включения аппарата напряжение на накопительном конденсаторе 5, на источнике заданного напряжения 14, а также на выходе операционного усилителя 15 равны нулю. Вследствие этого, напряжение на вход компаратора 12 поступает не с выхода операционного усилителя 15, а с выхода источника заданного напряжения 14 через разделительный диод 20. Выходное напряжение этого источника определяет амплитуду броска зарядного тока. Когда напряжение на выходе операционного усилителя 15 станет больше, чем выходное напряжение указанного источника 14, открывается разделительный диод 19 и на вход компаратора 12 подается напряжение с выхода операционного усилителя 15. После этого, длительность управляющих импульсов на входе ключевого регулирующего транзистора 6 и силовых импульсов напряжения, поступающего на накопительный конденсатор 5 и на нагрузку, определяются цепью отрицательной обратной связи импульсного стабилизатора напряжения.

Реализация изобретения стала возможной после создания импульсных конденсаторов (молекулярных накопителей) сверхвысокой электрической энергии [3, 4]. Известные импульсные конденсаторы имеют следующие параметры: электрическая емкость до 460 Ф; напряжение заряда до 500 В; энергоемкость до 50 кДж; удельные объемно - массовые показатели 0,1-1 см³/ В⋅А и 0,2-2 г/В⋅А.

Однофазные и трехфазные трансформаторы при частоте питающей сети 50 Гц и габаритной мощности 1-10 кВ⋅А имеют удельные объемно - массовые показатели 4-7 см³/В⋅A и 7-10 г/В⋅А, т.е. удельные показатели импульсных конденсаторов примерно на порядок лучше, чем у трансформаторов.

Объем и масса трансформатора составляют 50-70% от объема и массы элементов сварочного аппарата, вследствие чего применение импульсных конденсаторов вместо силового трансформатора обеспечивает снижение объема и массы аппарата по сравнению с известными аналогами примерно в 1,5-2 раза.

Кроме того, в связи с практическим отсутствием потерь мощности в конденсаторах, КПД предлагаемого сварочного аппарата выше, чем известных аппаратов.

Новым в изобретении является введение в сварочный аппарат импульсных конденсаторов сверхвысокой электрической энергии вместо обычно применяющегося силового трансформатора, а также использование в качестве регулирующего устройства транзисторного импульсного стабилизатора напряжения, в устройстве управления которого предусмотрены необходимые корректирующие элементы.

На основании изложенного может быть сделан вывод, что предлагаемое устройство позволяет получить положительный результат.

Изобретение является новым, т.к. при анализе доступных источников информации не выявлено аналогов с подобной совокупностью существенных признаков.

Литература

1. Закс М.И. Сварочные выпрямители. - Л.: Энергоатомиздат, 1983, с. 47-78.

2. Геворкян В.Г. Основы сварочного дела. - М.: Высшая школа, 1991, с. 11-46.

3. Автомобильные импульсные конденсаторы сверхвысокой энергии. // Справочный лист. Псковский завод радиодеталей. - Плескава, 2009.

4. Молекулярные накопители электрической энергии - новый тип импульсного вторичного источника тока. - НПО " Квант".

5. Шуваев Ю.Н. Зарядные устройства для импульсных энергоемких конденсаторов. Электронные компоненты, №1, 2012.

6. Патент US №2015136745 A1 В23K 9/09, 21.05.2015/Д1.

Изобретение относится к области сварочного оборудования. Сварочный аппарат содержит магнитный пускатель, мостовой выпрямитель, подключенный к питающей сети через контакты магнитного пускателя и балластные неполярные конденсаторы, к выходу мостового выпрямителя подключены последовательно соединенные накопительный конденсатор и ключевой регулирующий транзистор импульсного стабилизатора напряжения, к положительному выводу накопительного конденсатора подключен первый выходной зажим аппарата, его второй выходной зажим через сглаживающий дроссель подключен к отрицательному выводу накопительного конденсатора, к управляющему входу ключевого регулирующего транзистора подключен выход устройства управления импульсного стабилизатора напряжения, состоящего из широтно-импульсного модулятора, операционного усилителя и узла сравнения. В качестве накопительного конденсатора и неполярных балластных конденсаторов используются конденсаторы сверхвысокой электрической энергии. Применение изобретения позволяет уменьшить габариты и массу аппарата, а также повысить его КПД. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сварочный аппарат, содержащий магнитный пускатель, входные контакты которого подключены к каждой фазе питающей сети, соответствующий питающей сети однофазный или трехфазный мостовой выпрямитель, накопительный конденсатор сверхвысокой электрической энергии, положительный вывод которого подключен к положительному выводу мостового выпрямителя и к положительному выходному зажиму аппарата, а отрицательный вывод - через сглаживающий дроссель подключен к отрицательному выходному зажиму аппарата, и импульсный стабилизатор напряжения с ключевым регулирующим транзисторным элементом, устройством управления и вспомогательным источником питания, связанным входом с выходными выводами магнитного пускателя, отличающийся тем, что он снабжен неполярными балластными конденсаторами сверхвысокой электрической энергии, включенными между каждым из выходных контактов магнитного пускателя и входных выводов мостового выпрямителя, при этом отрицательный силовой вывод ключевого регулирующего транзисторного элемента соединен с отрицательным выводом мостового выпрямителя, а положительный силовой вывод упомянутого элемента соединен с отрицательным выводом накопительного конденсатора, причем устройство управления импульсного стабилизатора напряжения выполнено в виде широтно-импульсного модулятора, включающего в себя задающий генератор, генератор пилообразного напряжения, компаратор, согласующее устройство, источник заданного напряжения и времязадающую RC-цепочку, служащие для запуска импульсного стабилизатора напряжения и определяющие амплитуду броска зарядного тока накопительного конденсатора при включении, операционный усилитель, источник опорного напряжения, делитель выходного напряжения и разделительные диоды, при этом крайние выводы делителя выходного напряжения подключены к выводам накопительного конденсатора, средняя точка упомянутого делителя подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к источнику опорного напряжения, параллельно которому включена времязадающая RC-цепочка, выход операционного усилителя и выход источника заданного напряжения через соответствующие разделительные диоды подключены к инвертирующему входу компаратора, неинвертирущий вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, а вход этого генератора подключен к выходу задающего генератора, причем выход компаратора подключен к управляющему входу согласующего устройства, выход которого подключен к управляющему входу ключевого регулирующего транзисторного элемента.

2. Сварочный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что параллельно балластным и накопительному конденсаторам включены балластные резисторы.