Источник питания для дуговой сварки на постоянном токе Советский патент 1984 года по МПК B23K9/00 

Изобретение относится к электросварке, а именно к статическим преобразователям со звеном повышенной частоты, предназначенным для питания сварочных установок, и может найти применение как источник вторичного электропитания. Известно устройство, содержащее последовательно включенные высоковольтный выпрямитель, фильтр (или цепь питания постоянным напряжением), последовательный резонансный инвертор, трансформатор, низковольтный выпрямитель и нагрузку (или нагрузку, подключенную к выходу инвертора через трансформатор, либо непосредственно), а также систему управления инвертором, содержащую например, задающий генератор, распределитель-формирователь импульсов, датчики напряжения и тока схемы сравнения, которые работоспособны в щироком диапазоне сопротивлений нагрузки. Параллельно нагрузке инвертора включены конденсатор и катушка индуктивности (балластная LC-цепь) 1. Недостатком схемы является низкий КПД, вызванный потерями как в самой LCцепи, так и в прочих элементах инвертора за счет протекания через них балластного тока. Кроме того, такое рещение вызывает увеличение установленной мощности, а значит и габаритов примененных элементов. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является высокочастотная электросварочная система, содержащая последовательно включенные высоковольтный выпрямитель, фильтр, инвертор, трансформатор, низковольтный выпрямитель, нагрузку, а также систему управления инвертором, в состав которой входят задающий генератор, распределитель-формирователь импульсов, две схемы сравнения, датчики напряжения и тока нагрузки, датчик тока первичной обмотки трансформатора, детектор нуля, причем выход задающего генератора соединен с входом распределителя-формирователя импульсов, а выходы последнего соединены с управляющими электродами тиристоров инвертора, выходы датчиков тока и напряжения нагрузки соединены с первыми входами первой и второй схем сравнения соответственно, вторые входы которых соединены с источниками опорных напряжений, выходы схем сравнения соединены с входом задающего генератора, а выход датчика тока первичной обмотки трансформатора через последовательно включенный детектор нуля соединен с входом задающего генератора 2. В системе обеспечивается временная задержка включения очередного тиристора после перехода через «О тока первичной обмотки, вызванного проводящим состоянием предыдущего тиристора, т. е. частота коммутации инвертора остается ниже его резонансной частоты. Для устранения перенапряжений в элементах инвертора сердечник трансформатора выполнен с немагнитным зазором. Кроме того, при превыщении напряжения нагрузки заданного максимального значения инвертор отключается. Недостатком известной системы является низкий КПД, обусловленный значительным балластным током трансформатора, что связано с наличием немагнитного зазора в его магнитопроводе. Цель изобретения - увеличение КПД устройства. Поставленная цель достигается тем, что в систему управления инвертором источника питания для дуговой сварки на постоянном токе, содержащего последовательно соединенные высоковольтный выпрямитель, фильтр, последовательный тиристорный инвертор, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, низковольтный выпрямитель, а также систему управления инвертором, состоящую из задающего генератора, двух схем сравнения, источника опорного напряжения, распределителя-формирователя импульсов, датчиков напряжения и тока нагрузки, датчика тока первичной обмотки трансформатора, введены датчики тока тиристоров, две схемы ИЛИ, схема И, транзисторный ключ, второй датчик напряжения нагрузки, амплитудный селектор, RCфильтр и триггер Шмитта, причем выходы датчиков тока тиристоров подключены к входам первой схемы ИЛИ, выход последней соединен с первым входом второй схемы ИЛИ и с управляющим входом транзисторного ключа, который включен параллельно выходу второго датчика напряжения нагрузки, при этом последний -через амплитудный селектор соединен с вторым входом второй схемы ИЛИ и через последовательно соединенные RC-фильтр и триггер Шмитта - с одним входом схемы И, другой ее вход соединен с выходом датчика тока первичной обмотки трансформатора, а выход указанной схемы И - с третьим входом второй схемы ИЛИ. На фиг. 1 представлена функциональная схема источника питания для дуговой сварки на постоянном токе; на фиг. 2 - внешние вольт-амперные характеристики источника питания; на фиг. 3 - временные диаграммы токов и напряжений. Источник питания (фиг. 1) содержит последовательно содиненные между собой высоковольтный выпрямитель 1, фильтр 2, последовательный тиристорный инвертор 3,:, трансформатор 4 с первичной 5 и вторичной 6 обмотками, низковольтный выпрямитель 7, нагрузку (сварочную цепь) 8, а также систему управления инвертором, в состав которой входят задающий генератор 9, содержащий, например, параллельно включенные интегратор 10 и разрядный ключ И, первая 12 и вторая 13 схемы сравнения, источник 14 опорного напряжения, распределитель-формироэатель 15 импульсов, первый 16 и второй 17 датчики напряжения нагрузки, датчик 18 тока нагрузки, датчик 19 тока первичной обмотки трансформатора, первый 20 и второй 21 датчики тока тиристоров, первая 22 и вторая 23 схемы ИЛИ, транзисторный ключ 24, схема И 25, амплитудный селектор 26, триггер 27 Шмитта, RC-фильтр 28, делитель 29 и переключатель 30. Выходы распределителя-формирователя 15 импульсов соединены с управляющими цепями тиристоров инвертора. Первый вход задающего генератора, а именно управляющая цепь входящего в его состав разрядного ключа 11, соединен с выходом второй схемы ИЛИ 23, дв.а входа которой соединены соответственно с общей- точкой выхода схемы 12 сравнения и входа распределителя-формирователя 15, и с выходом схемы И 25, один вход которой соединен с выходом триггера 27 Шмитта, другой - с выходом датчика 19 тока первичной обмотки 5 трансформатора 4. Второй вход задающего генератора соединен с выходом второй схемы 13 сравнения, первый вход которой, подключен через делитель 29 к источнику 14 опорного напряжения, второй в зависимости от положения переключателя 30 - к выходу датчика 18 тока нагрузки или к выходу первого датчика 16 напряжения нагрузки. Первый вход первой схемы 12 сравнения соединен с общей незаземленной точкой конденсатора интегратора 10 и разрядного ключа 11 задающего генератора 9, второй, через делитель 29, - с источником 14 опорного напряжения. Выходы датчиков тока тиристоров 20 и 21 подключены к входам первой схемы ИЛИ 22, выход которой подключен к третьему входу второй схемы ИЛИ 23 и к управляющей цепи транзисторного ключа 24, подключенного между землей и общей точкой, связывающей выход второго датчика 17 напряжения, вход RCфильтра 28 и вход амплитудного селектора 26. Выход последнего соединен с четвертым входом второй схемы ИЛИ 3. Выход RC-фильтра соединен с входом триггера 27 Шмитта. Устройство работает следующим образом. При подключении устройства к промышленной сети на выходе высоковольтного выпрямителя 1 (фиг. 1) появляется постоявное напряжение, заряжающее конденсатор фильтра 2. Одновременно появляются напряжения питания элементов системы управления. Предположим, что нагрузкой 8 является активное сопротивление, а переключатель 30 находится в среднем положении (цепь обратной связи разорвана). Сопротивление нагрузки таково, что рабочая точка занимает положение 31 (фи/. 2). Другие положения рабочей точки на внешней вольтамперной характеристике обозначены позициями 32-37, а характеристика процесса сварки позицией 38 (фиг. 2). Режиму, определенному рабочей точкой 31, соответствует временной интервал 0 t. t (фиг. 3), где изображены следующие процессы: 39 - ток первичной обмотки 5 трансформатора 4; 40 - напряжение на нагрузке 8; 41 - напряжение на выходе второго датчика 17 напряжения; 42 - напряжение на выходе первой схемы ИЛИ 22; 43 - напряжение на выходе датчика 19 тока первичной обмотки 5 трансформатора 4; 44 - напряжение на выходе амплитудного селектора 26; 45 - напряжение на выходе триггера 27 Шмитта; 46 - напряжение на выходе второй схемы ИЛИ 23; 47 - напряжение на первом входе первой схемы 12 сравнения (на выходе интегратора 10); 48 - напряжение на входе распределителя-формирователя 15. Во время протекания тока через тиристоры инвертора 3 датчики 20 и 21 вырабатывают сигналы логической единицы, которые после суммирования в схеме ИЛИ 22 и прохождения через схему ИЛИ 23 попадают на вход разрядного ключа 11 интегратора 10. Во время действия этих импульсов (42 и 46 на фиг. 3) ключ 11 замкнут, напряжение на выходе интегратора равно «О (47, фиг. 3). По окончании проводимости одного из тиристоров ключ 11 размыкается на выходе интегратора 10 и напряжение линейно нарастает. Когда это напряжение сравнится с величиной выход °™ Напряжения делителя 29, схема сравнения 12 вырабатывает импульс, поступающий с ее выхода на вход распределителяформирователя 15 и на вход второй схемы ИЛИ 23, т. е. формируется очередной импульс включения тиристора инвертора, а интегратор устанавливается в «О. Таким образом, время между очередными управляющими импульсами равно сумме времени проводящего состояния тиристора, равного в свою очередь половине периода резонансной частоты инвертора и времени нарастания выходного напряжения интегратора от «О до выходного напряжения делителя 29, следовательно рабочая частота ин.вертора оказывается мень1ие его резонансной частоты при данной нагрузке. Параметры интегратора 10 выбраны так, чтобы время задержки &i (фиг. 3) i было не меньше времени восстановления тиристоров, примененных в инверторе в любом режиме работы последнего. Во время действия выходных импульсов первой схемы ИЛИ 22 (во время протекания тока тиристоров) кл1юч 24, шунтирующий выход датчика 17 напряжения, находится в замкнутом состоянии, поэтому напряжение на выходе датчика 17 отлично от «О только в течение времени задержки д1 каждого цикла и соответствует напряжению нагрузки 8 во время протекания тока через диоды, шунтирующие тиристоры инвертора 3 (диаграмма 41, фиг. 3). Величина этого напряжения после прохождения через RC-фильтр 28 значительно меньше порога срабатывания триггера 27 Шмитта, а амплитуда меньше порогового напряжения амплитудного селектора 26. На выходе схемы И 25 сигнал отсутствует, так же как и на выходе амплитудного селектора. Остальные элементы схемы не оказывают влияния на работу устройства.

Предположим, что сопротивление нагрузки 8 возрастает. Если этот процесс происходит плавно, рабочая точка предельной внешней характеристики из положения 31 (фиг. 2) будет перемеш.аться в направлении, обозначенном пунктирной кривой. На участке от точки 31 до точки 32 характер процессов не изменяется, однако частота собственного резонанса инвертора уменьшается, следовательно увеличивается время проводяш,его состояния диристоров и, поскольку задержка At остается постоянной, уменьшается частота коммутации вентилей инвертора. Действующее значение напряжения на выходе интегратора уменьшается при снижении частоты, следовательно участок характеристики 31-32 (фиг. 2) будет более пологим, чем при постоянной частоте управляющих импульсоз. Это обстоятельство расширяет о ласто трименения источника питания в случа.;х, когда требуется стабильность выходного напряжения и значительный ток короткого замыкания, например, при автоматической или полуавтоматической сварке в атмосфере защитного газа. В точке 31 (фиг. 2) напряжение нагрузки 8 достигает такой величины, что действующее значение напряжения на входе триггера 27 Шмитта превышает порог его срабатывания. С этого момента на выход схемы И 25 будут передаваться выходные импульсы датчика тока первичной обмотки трансформатора (диаграмма 43, фиг. 3), которые поступают на вход схемы ИЛИ 23 и с выхода последней - на управляющую цепь ключа 11 задающего генератора 9.

В таком режиме выходное напряжение интегратора 10 равно «О, когда ток первичной обмотки трансформатора отличен от «О. Время между соседними управляющими импульсами равно сумме времени проводящего состояния тиристора, времени проводящего состояния шунтирующего диода и времени нарастания выходного напряжения интегратора от «О до выходного напряжения делителя 29, а рабочая частота инвертора меньше 1/2 его резонансной частоты при данной нагрузке. Рабочая точка источника скачком перемещается из положения 32 в положение 33 (фиг. 2). При дальнейщем возрастании сопротивления нагрузки характер процесса сохраняется. Состояние Триггера 27 Шмитта также сохраняется, так как теперь шунтирование датчика 17 ключом 24, происходящее по-прежнему во время протекания тока через тиристоры, соответствует 1/2 периода резонансной частоты инвертора (вместо времени задержки в прежнем режиме) поэто0 му действующее значение напряжения на входе триггера остается больще порога его срабатывания. Чем больше сопротивление нагрузки, тем слабее сказывается ее шунтирующее действие на трансформатор и на процессы в инверторе. В предельном случае (разрыв цепи нагрузки, точка 4, фиг. 2), роль коммутирующей индуктивности инвертора играет сумма индуктивности коммутирующей катущки и индуктивности намагничивания трансформатора. Поскольку вто0 рое слагаемое, как правило, значительно больще первого, резонансная частота инвертора в режиме холостого хода со стороны нагрузки значительно (реально на 1-2 порядка) меньше частоты в режиме короткого замыкания, а в связи с наличием задерж ки включения &i частота коммутации несколько меньще 1/2 резонансной частоты, очередное включение тиристора оказывается возможным лищь после окончания переходных процессов в инверторе, вызванд ных предыдущим включением.

Таким образом, перенапряжения на элементах инвертора устраняются путем скачкообразного изменения его рабочей частоты приблизительно в 2 раза и исключением явления «раскачки путем введения задерж5 ки включения очередного тиристора после окончения переходных процессов в инверторе (прекращения протекания тока в первичной обмотке трансформатора). При плавном уменьщении сопротивления нагрузки инвертора рабочая точка будет перемеО щаться по предельной внещней характеристике в направлении, указанном сплошной стрелкой (фиг. 2) и на пути от холостого хода до короткого замьжания будет последовательно занимать положения 34, 33,

35, 36, 31 и 37. Порог отпускания триггера Шмитта подобран так, что скачкообразный переход из положения 35 в положение 36 происходит при меньшем сопротивлении нагрузки, чем переход из положения 32 в положение 33, а участок 33-35 лежит выше

0 характеристики процесса сварки 38. Это обеспечивает устойчивое горение дуги при заданном токе в режиме ручной сварки и заданном напряжении в режиме автоматической сварки.

5 Рассмотрим случай, когда сопротивление нагрузки увеличивается скачком от величины, соответствующей точке 31 (фиг. 2), до 00 . Предположим, что этот скачок происходит в момент tj (фиг. 3). Напряжение на нагрузке резко возрастает (диаграмма 40, фиг. 3). Параметры трансформатора 4 (фиг. 1) выбраны так, что при возрастании напряжения на обмотке 5 до заданной величины, магнитная индукция достигает значения, соответствующего насыщению сердечника, вследствие чего дальнейщий рост напряжения на обмотке 5 и на нагрузке 8 прекращается. В ненасыщенном состоянии сердечника индуктивность намагничивания его должна обеспечивать устойчивое включение тиристоров за время действия импульсов управления. В момент t2 (фиг. 3) прекращается ток тиристора инвертора, следовательно, напряжение выхода первой схемы ИЛИ 22 (фиг. 1) становится равным «О. На выходе второй схемы ИЛИ 23 также напряжение становится равным ключ 11 размыкается, начинается нарастание выходного напряжения интегратора 10 (диаграмма 9, фиг. 3). Однако мгновенное значение напряжения на выходе датчика 17 превыщает пороговое напряжение амплитудного селектора 26, а его действующее значение превыщает порог срабатывания триггера 27 Шмитта. Амплитудный селектор 26 реагирует на мгновенное значение входного напряжения, поэтому на его выходе напряжение появится раньще, чем на выходе триггера Шмитта (диаграмма 44, фиг. 3). Промежуток времени между моментами t и появлением напряжения на выходе элемента 26 значительно меньще At (фиг. 3). Последнее напряжение поступает на вход второй схемы ИЛИ, далее - на управляющую цепь ключа 11, что приводит к его замыканию. Через некоторое время после скачка сопротивления нагрузки, например в момент t3, срабатывает триггер Шмитта, а процессы протекают так же, как описано выще, т. е. следующий управляющий импульс появится через интервал д1 после окончания переходных процессов, а именно в момент t (фиг. 3). Таким образом, совместное действие триггера Шмитта, реагирующего на действующее значение напряжения датчика 17 и безынерционного селектора 26 амплитуды, объединенных схемой ИЛИ 23, позволяют сочетать высокое быстродейсствие защиты инвертора от аварийных режимов с устойчивостью положения рабочей точки на внещней характеристике. В нижнем положении переключателя 30 (режим «падающих характеристик) (фиг. 1 происходит стабилизация тока нагрузки. Выходное напряжение датчика тока нагрузки 18 (фиг. 1) сравнивается в элементе 13 С напряжением уставки (делитель 29), разница этих величин является входным напряжением интегратора 10 задающего генератора 9. Если ток нагрузки меньще заданного, скорость нарастания выходного напряжения интегратора 10 возрастает, следовательно время нарастания его до входного напряжения схемы сравнения 12 уменьщается. Возрастает частота коммутации тиристоров инвертора, значит, возрастает напряжение и ток нагрузки. Аналогично происходит стабилизация напряжения нагрузки в верхнем (фиг. 1) положении переключателя 30 с той разницей, что на вход схемы 13 сравнения (фиг. 2) поступает выходное напряжение первого датчика 16 напряжения (режим «жестких характеристик). Задающий генератор 9 построен таким образом, что входное напряжение интегратора 10 всегда ограничено величиной, при которой скорость нарастания его выходного напряжения не превыщает отнощения выходного напряжения делителя 29 к заданному времени задержки at, т. е. регулирование электрических параметров нагрузки 8 возможно вниз от предельных внещних характеристик (фиг. 2). Если з процессе работы устройства возникает недопустимое перенапряжение, то работа устройства не отличается от работы в вышеописанном случае (переключатель 30 в среднем положении). Технико-экономи еское преимущества предлагаемого источника заключаются в том, что введение в систему управления инвертором сварочного источника питания, датчиков токов тиристоров, схемы И, двух схем ИЛИ, транзисторного ключа, дополнительного датчика напряжения нагрузки, амплитудного селектора, RC-фильтра, триггера Шмитта и соединение перечисленных элементов между собой и с остальными элементами системы управления выщеописанным способом, обеспечивает устойчивую работу предлагаемого устройства во всем диапазоне сопротивлений нагрузки от холостого хода до короткого замыкания, в том числе и при скачкообразных изменениях этого сопротивления в указанных пределах. При этом не-требуется щунтирования выхода инвертора какими-либо балластными цепями, в частности трансформатор источника питания может быть вьщолнен без немагнитного зазора в магнитопроводе, с малым взаимным рассеянием между первичной и вторичной обмотками и, следовательно, с высоким КПД при номинальной нагрузке, а последнее обстоятельство позволяет повысить КПД источника питания. 57 J

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРК11 НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ, содержащий последовательно соединенные высоковольтный выпрямитель, фильтр, последовательный тиристорный инвертор, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, низковольтный выпрямитель, а также систему управления инвертором, содержащую задающий генератор, две схемы сравнения, источник опорного напряжения, распределитель-формирователь импульсов, датчики напряжения и тока нагрузки, датчик тока первичной обмотки трансформатора, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД источника, в систему управления инвертором дополнительно введены датчики тока тиристоров, две схемы ИЛИ, схема И, транзисторный ключ, второй датчик напряжения нагрузки, амплитудный селектор, RC-фильтр и триггер Шмитта, причем выходы датчиков тока.тиристоров подключены к входам первой схемы ИЛИ, выход последней соединен с первым входом второй схемы ИЛИ и с управляющим входом транзисторного ключа, который включен параллельно выходу второго датчика напряжения нагрузки, при этом последний через амплитудный селектор соединен с вторым входом второй схемы ИЛИ и через последовательно соединенные RCфильтр и триггер Шмитта - с одним входом схемы И, другой ее вход соединен с Выходом датчика тока первичной обмотки трансформатора, а выход указанной схемы И - с третьим входом второй схемы ИЛИ.

39

to

ППП

tiZ