Сварочный выпрямитель Советский патент 1985 года по МПК B23K9/00 

1 Изобретение относится к электродуговой сварке .плавящимся электродом на постоянном токе, и может быть использовано в тиристорных сварочны выпрямителях для механизированной сварки в среде углекислого газа. Цель изобретения - повышение качества сварного соединения за счет улучшения возбуждения и горения сва рочной дуги в различных пространст венных положениях. На фиг. 1 представлена блок-схем выпрямителя; на фиг.2 - диаграммы изменения напряжения на элементах выпрямителя. Выпрямитель содержит силовой трансформатор 1, тиристорный выпря. мительный (ТВ) блок 2, дроссель 3, сварочной цепи, шунт 4, блок 5 форм рования импульсов управления (ФИ), блок А1 сравнения, регистратор А2 с рочного тока. Блок сравнения, входящий в блок управления, и регистратор сварочног тока выполнены на операционных усилителях. На прямой вход (плюсрвьщ) А1 подается регулируемое напряжение задания - У,ад (с резистора R 1) на инверсный (минусовый) - напряжения отрицательных обратных связей по то ку (через сглаживающий фильтр и по напряжению (через сглаживающий фильтр ). С выхода блока A1 сравнения напряжение управления поступает через фильтр RgCjR на блок ФИ, сформированные им импульсы подаются далее на управляющие электроды выпрямительного ТВ блока. Цепочк VQ, VQ (встречно включенные стабилитроны) служит для повышения быстродействия во время переходных процессов. Благодаря совместному действию обратных связей по току и напряжению формируются пологопадающие внешние характеристики. А2 выполняет роль регистра сварочного тока и используется для управления блоком ограничения действия обратной связи по напряжению ООС - V, На прямой (плюсовый) вход компаратора А2 поступает постоянное пороговое напряжение, эквивалентное-минимальному значению тока сварочной цепи (порядка 7А), а на инверсный (минусовьй) вход с шунта 4.подается напряжение сигнала, пропорциональное реальной величине сварочного тока. С выхода компаратора А2 через вспомогательный 452 ограничитель R,. Mjj, VQ снимается Напряжение управления схемой ограничения действия ООС - V, которое через времязадающие цепочки R, VQ5, С4 nR 10, VQ 6, С5 управляют проводимостью полевых транзисторов V Т1 и V Т2. Ограничение действия отрицатель1НОЙ обратной связи по напряжению достигается путем ограничения величины сигнала отрицательной обратной связи (бос - V), который выделяется на конденсаторе С2 фильтра R4 С2 R5. Ограничение осуществляют два управляемых ограничителя (R 11, VQ 7, V Т1 и R 11, VQ 8, V Т2), которые включены параллельно, но работают последовательнО (во времени) один с другим и имеют различные динамические, т.е. изменяемые по величине и по времени, пороги, полученные в результате использования в качестве нелинейных элементов соответствующих стабилитронов с последовательно включенными полевыми транзисторами, выполняющими роль управляемых переменных резисторов (фиг.1 и 2). Для повышения быстродействия ограничители совмещены с фильтром R4 С2 R5 так, что резистор фильтра R4 является одновременно и балластньм резистором обоих ограничителей. Цепочки VQ7, V Т1, и VQ8, V Т2, формирующие динамические пороги ограничителей, подключены параллельно конденсатору С2. Стабилитроны V07 и VQ8.имеют разные напряжения стабилизации:, причем напряжение стабилизации стабилитрона VQ7 меньше, чем у VQ8, т.е. У.-таВ. VQ7 с ,а.1 Сопротивление полевых транзисто-, ров VT1 и VT2 может меняться в широких пределах (от Ом до маис МОм) в зависимости от напряжения на их затворах. Каждый полевой транзистор через соответствующий стабилитрон (VQ) и резистор R4 присоединен к выходу сварочного выпрямителя. Следовательно, при изменении его сопротивления () изменяет снимаемое с него напряжение (Vy-j-) и величина динамического порога, который равен сумме этого напряжения соответствующего стабилитрона (V Vy + V ). Каждый полевой транзистор полностью открыт и сопротивление его мало, напряжение на транзисторе . В результате напряжение порога ограничителя рав.но своему наименьшему значению напряжению стабилизаци стабилитрон V С1С1Б Ослабление ограргичителем ООС - V на конденсаторе С2 (V(. ) максимально,. что вызывает предельное увеличение угла открытия тиристоров и, соответственно, наибольшее возрастание режима работы выпрямителя. При увеличении сопроти ления полевого транзистора увеличивается и падение напряжения на нем, вызывая увеличение величины порога. Степень ограничения сигнала OOC-V при этом падает, приращение режима уменьшается. Когда полевой транзистор полностью закрыт и его сопротив ление очень велико, напряжение поро |га ограничителя равно своему наибольшему значению. Это значит, что ограничение отсутствует, ограничите находится в стационарном режиме . Таким образом, с помощью полевых транзисторов V Т1 и V Т2 осуществляется управление процессом ограничения на конденсаторе С2 фильтра R4 С2 R5. Цепочки VQ7, V Т1 и VQ8, V Т8, формирующие динамически пороги, подключены к конденсатору С параллельно, следовательно на нем всегда устанавливается напряжение, равное меньшему из этих двух порогов Изменение величин динамических порогов V и Vf)i во времени задает компаратор А2, воздействуя на сопротивление полевых транзисторов V Т1 и. V Т2 через времязадающие цепочки R9, vq 5, С4 и R10, VQ6, С5. Постоян ные времени заряда этих цепочек малы (из-за диодов VQ 5 и VQ6), а постоян ные времени разряда велики и притом различны (Тр,Тр). Схема работает следующим образом В исходном состоянии (на холостом коду выпрямителя) компаратор А2 нахо дится в состоянии Выключено, при этом на его выходе - отрицательное напряжение. Поэтому полевые транзисторы V Т1 и V Т2 полностью открыты, их сопротивления малы. В результате напряжение сигнала OOC-V на конденсаторе С2 -ограничено на наименьшем уровне - на уровне напряжения стабилизации стабилитрона VQ 7. Стабилитрон VQ 8 находится в закрытом состоя нии, так как это напряжгение приложено и к нему, а оно меньше, чем его напряжение стабилизации. Ограниченный сигнал OOC-V через резистор R5 поступает на инверсный вход сравнивающего устройства. Уменьшение сигна ла OOC-V при неизменном напряжении задания приводит через А1, ФИ и ТВ к изменению режима работы выпрямителя. Угол открытия тиристоров увеличивается, напряжение холостого хода сварочного выпрямителя возрастает, и при этом до своего максимального значения ( ) . так как в этом случае стабилитрону с ме 1ьшим напряжением стабилизации соответствует большее напряжение холостого хода. Из-за действия ограничителя обратной связи OOC-V это увеличение напряжения холостого хода не вызывает изменения напряжения на когтденсаторе фильтра С2. Таким образом, в исходном состоянии на выходе сварочного выпрямителя устанавливается максимальное напряже ние холостого хода, которое необходимо для обеспечения надежности первоначального возбуждения дуги. Па фиг.2 приведен график работы ограничителя действия обратно) связи ,OOC-V. Процесс возбуждения дуги на- чинается с короткого замыкания электродной проволоки на изделие. Б зтот момент в сварочной цепи начинает протекать значительны ток, обусловленный высоким напряжением холостогс хода выпрямителя. Компаратор А2 срабатывает (на его выходе появляется положительное напряжение) .и закрывает с малой задержкой во времени (через диоды VQ 5 и VQ 6) полевые транзисторы V Т1 и V Т2, вызывая /увеличение их сопротивлений. Шунтирующее действие цепочки VQ 7, V Т1 на конденсаторе С2 прекращается и оба ограничителя оказываются выключенными. Во время короткого замыкания электрод - изделие конденсатор С2 через резистор R А и короткозамкнутый выход выпрямителя начинает разряжаться, вызывая дополнительное увеличение тока короткого замыкания, несмотря на возрастание сопротивления вылета электрода. Для уменьше;ния влияния отрицательной обратной связи по току на величину тока короткого замыкания постоянная времени цепочки R2, С1, R3 выбрана достаточно большой по сравнению со временем зажигания. Под действием тока электродная проволока расплавля€.тся и образуется дуговой промежуток, в котором

возбуждается дуга. -В момент возбуждения последней из-за резкого уменьшения нагрузки скачком возрастает напряжение на выходе выпрямителя. Це почка R8, СД обеспечивает еще некоторое время (3-6 мс) шунтирующее действие VQ 7, V Т1 на конденсатор С2.

При этом незначительно изменившееся напряжение на С2 в сочетании с напряжением задания обеспечивают напряжение на выходе выпрямителя 25-30 В, создавая дополнительные благоприятные условия.для поддержания горения возбудившейся дуги. В дальнейшем действие отрицательной обратной связи и схемы управления обеспечивают быстрое установление стационарного режима и необходимых для сварки внешних характеристик выпрямителя .

Быстродействие системы управления обусловлено небольшой постоянной времени фильтра R4 С2 R5, что позволяет быстро реагировать на изменение выходного напряжения сварочного

.выпрямителя, а также применением фильтра R6 СЗ R7 со значительной постоянной времени и ускоряющей цепочкой VQ 1, VQ 8. Такой фильтр обеспечивает необходимую фильтрацию сигнала управления, а цепочка VQ 1, VQ 2 - его быстродействие при больших рассогласованиях напряжения на выходе сравнивающего устройства А1.

,Для этих же целей в схему введена цепочка VQ 9, R11, подающая положительное постоянное напряжение на R7 (после срабатывания компаратора). Это напряжение в сумме с напряжением на СЗ обеспечивает быстро.е установление напряжения управления.

При сварке длинными швами в нижнем положении нет обрыва дуги, поэтому компаратор А2 все это время находится во включенном состоянии, обепечивая отключение цепочек VQ 7,

V Т1 и VQ 8, V Т2 от конденсатора С

При сварке короткими швами в нижнем положении и при сварке в вертикальном положении имеют место кратковременные обрывы дуги. Для стабильного повторного возбуждения и горени дуги необходимо обеспечить с некоторой задержкой плавное нарастание напряжения холостого хода выпрямителя, что в свою очередь, приводит ч увеличению пика тока при зажигании по мере остывания электрода. В этом случае максимальное значение напряже ния холостого хода должно быть меньше, чем при первоначальном возбуждении дуги ( V,,).

Некоторая задержка в нарастании напряжения холостого хода после прерывания процесса нужна для предотвращения образования большой капли на конце электрода и обеспечения повторного возбуждения дуги.

Выполнение указаг1 ;ых задач достигается введением управляемого плавного нарастания степени огран1 чения действия отрицательной обратной связ по напряжению, но в меньших пределах чем при первоначальном возбуждении дуги.

Плавно нарастающее ограничение осуществляется ограничителем R4, VQ 8, V Т2, который управляется компаратором А2 через времязадаюшую цепочку R 10, VQ 6, С 5. При обрыве дуги сварочный ток прекращается и компаратор А2 выключается. Поэтому конденсаторы С4 и С5 начинают разряжаться через резисторы R9 и R10.

Постоянная времени разряда цепочк R10, С5 (Т2) выбрана существенно меньше.постоянной времени цепочки R9, С4 (Т1), следовательно конденсатор С5 разряжается значительно быстрее. Задержка начала работы ограни чителя R4, VQ 8, V Т2 - &t создается за-счет превьшхения исходного напржения на конденсаторе С5 над напряжением отсечки полевого транзистора V Т2 (Vch ).Через время, равное времени задержки (15-20 мс), V, снижается до уровня Vg,, , и только тогда по мере дальнейшего разряда конденсатора С2 начинает плавно уменьшаться сопротивление полевого транзистора V Т2. Соответственно на(Чинает плавно уменьшаться напряжение си1нала OOC-V на конденсаторе С2 фильтра R4 С2 R5. Это, в св.ою очеред вызывает плавное нарагтание напряже- ния холостого хода выпрямителя, которое продолжается до тех пор, пока конденсатор С5 не разрядится до нуля (за t 15-20 мс). Нолевой транз.истор V Т2 открыт полностью, а сопротивление мало. Напряжение сигнала OOC-V на конденсаторе С2 фильтра R4 С2 R5 ограничивается с;таби.иитроном VQ 8 на уровне .его напряжения стабилизации, так как напряжение ста билизации стабилитрона VQ 8 больше, чем стабилитрона VQ 7, то установившееся значение V, несколько «7 макс меньше, чем V ytMoiicc Благодаря ограничивающему действию стабилитрона VQ 8, это превышение напряжения холостого хода выпрямителя по сравнению с рабочим (сварочным) его значением не приводит к изменению напряжения на конденсаторе С2 фильтра R4 С2 R5, что обеспечивае быстрое окончание переходных процессов при установлении сварочного процессаЕсли режим холостого хода длителен, то начинает сказываться разряд конденсатора С4 времязадающей цепочки R9 , VQ 5 , С4. По мере его разряда плавна уменьшается сопротивление полевого транзистора V Т1. Снова начи-/ нает уменьшаться напряжение сигнала

VTt

IPUZ.I

баон упрабпения OOC-V на конденсаторе С2 фильтра R4 С2 R5. Одновременно начинается дальнейший плавный рост напряжения холостого хода выпрямителя. . Нарастание продолжается до тех пор, пока конденсатор СЗ не разрядится до нуля (за t 0,4-0,5 с). Полевой транзистор V Т1 полностью открывается, его сопротивление мало. Напряжение сигнала OOC-V на конденсаторе С2 фильтра R4 С2 R5 ограничивается стабилитроном VQ 7 на уровне его напряжения стабилизации. Это приводит к установлению на выходе сварочного выпрямителя наибольшего значения напряжения холостого хода xvfunKc Vxxa,.- Технический эффект состоит в улучшении зажигания дуги при сварке электродной проволокой в среде угле кислого газа во всех пространственных положениях.

Щх.х Сварка

К.к.

я

Uc&

&t3ad

Ь:

USbix

А2,

C6apKi

-Х,

«6:5

11 яке

ХЛ МЙ/ГС

1. СВАРОЧНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ, содержащий последовательно соединенные силовой трансформатор и тиристорный блок, к одному выходу которого подключен дроссель, а к другому выходу - датчик тока, выход которого .подключен к одному входу блока сравнения и к выходу датчика напряжения, другой вход блока сравнения соединен с блоком задания, выход блока сравнения соединен через блоки формирования импульсов управления с входом тиристорного блока, о т л ич а го щ ии с я тем, что, с целью повышения качества сварного соединения за счет улучшения возбузвдения и горения сварочной дуги в различных пространственных положениях, в него введены последовательно соединенные регистратор сварочного тока и блок ограничения обратной связи по ргапряжению, при этом вход регистратора сварочного тока подключен к датчику тока, выход регистратора сварочного тока соединен с выходом блока сравнения, а вЫход блока ограничения обратной связи по напряжению соедиi нён с датчиком напряжения. 2. Выпрямитель по п. 1, о т л и(Л чающий с я тем, что блок ограс ничения обратной связи по напряжению выполнен на двух параллельно соединенных цепочках, состоящих каждая из резистора, зашунтированного диодом, катод которого соединен с вьшодом резистора и затвором полевого транзистора, конденсатор включен между затвором и истоком to полевого транзистора,сток которого 4 соединен с катодом стабилитрона, сл анод которого соединен с выходом блока, а анод диода соединен с входом блока.

фиг. г