Источник питания сварочной дуги Советский патент 1987 года по МПК B23K9/00 

1333495

Изобретение относится к сварочному

зо

производству и может быть использовано в машиностроительной, приборостроительной и других отраслях промышленности.

Целью изобретения является повышение качества, сварного соединения за счет расширения диапазона регулирования сварочного тока.

На фиг.1 приведена схема источника питания сварочной дуги; на фиг.2 - выходная вольтамперная характеристика; на фиг.3 - диаграммы, поясняющие

принцип работы источника; на фиг.4 - регулировочные характеристики.

Источник содержит инверторный мост 1, плюсом подключенный к конденсатору 2 фильтра и через дроссель 3 к плюсу входного выпрямителя 4, который минусом подключен к второму кон- ду конденсатора 2 фильтра и через первичную обмотку 5 трансформатора к минусу инверторного моста 1. Трансформатор выполнен из двух двухстерж невых магнитопроводов 6 и 7, причем первичная 5 и отсекающая 8 обмотки трансформатора охватывают один стержень каждого из двух двухстержневых магнитопроводов 6 и 7, при этом вторичная обмотка 9, охватывающая магни топровод 6, через анод тиристора 10 и вторичная обмотка 11, охватывающая магнитопровод 7, через анод диода 12 подключены параллельно нагрузке 13, которая зашунтирована диодом 14. Генератор 15 управления первым управляющим выходом подключен к тиристорам инверторного моста 1, а вторым управляющим выходом через компаратор 16 и формирователь 17 импульсов управления - к управляющему электроду тиристора 10. Обмотка 18 подмагни чивания расположена на магнитопрово- де 7 и подключена через усилитель 19 и интегратор 20 к второму входу компаратора 16, а через сумматор 21 к задатчику 22 управляющего напряжения. Отсекающая обмотка 8 трансформатора подключена параллельно конденсатору 2 фильтра через управ- ляемый выпрямитель 23, который управляющим входом подключен через формирователь 24 импульсов управления, компаратор 25 и интегратор 26 к датчику 27 тока нагрузки. Задатчик 28 опорного напряжения подключен к второму входу компаратора 25.

5

0

0

5

5

Источник работает следующим образом.

Преобразователь частоты, содержащий инверторный мост 1, входной фильтр, состоящий из конденсатора 2 и дросселя 3, и входной выпрямитель 4, вырабатывает ток требуемой частоты, который преобразуется в выходном трансформаторе и запитывает нагрузку 13, зашунтированную диодом 14, исключающим выбросы напряжения за счет накопленной энергии в индуктивности соединительной линии. Для обеспечения нормальных условий работы преобразователя частоты напряжение на первичной обмотке 5 трансформатора не должно превышать определенной величины и ограничивается пороговым устройством, состоящим из отсекающей обмотки 8 трансформатора, которая через управляемый выпрямитель 23 подключена параллельно конденсатору 2 фильтра.

Пороговое устройство работает следующим образом.

При изменении величины нагрузки или фазового.угла управления выходным тиристором 10 происходит изменение напряжения на первичной обмотке 5 трансформатора, которое может достигать величины напряжения на коммутирующей индуктивности и превышает значение напряжения на конденсаторе 2 фильтра. Задавая значение коэффициента трансформации для отсекающей обмотки 8, можно ограничивать значение напряжения на первичной обмотке 5 замыканием части или всего контурного тока инверторного моста 1 отсекающей обмоткой 8 и выпрямителем 23 через конденсатор 2 фильтра. Устойчивая работа инвертора в режимах работы от короткого замыкания до холостого хода осуществляется при значении коэффициента трансформации не ниже 1,3, что приводит к отсеканию части амплитуды выходного тока (фиг.2, график l) в режимах работы от номинального значения до короткого замыкания и, как следствие, понижению максимальной величины выходного тока,а также КПД. При отключении управляющего выпрями- 55 теля 23 в режимах работы от короткого зам1-1кания до ног-отнального значения не происходит ухудшения условий работы ннверторного моста 1, а также расширяется диапазон рабочих токов

0

5

0

(фиг.2, график 2), который должен удовлетворять условию при ЗООА на нагрузке напряжение должно быть не менее 40В (фиг.2, график З).

Регулирование тока в нагрузке осуществляется тиристором 10, который открывается с фазовой задержкой относительно тиристоров инверторного моста I. При изменении фазовой задержки от О до 180 эл.град. выходной ток изменяется в диапазоне от 1 до 0,3 номинального значения. Когда тиристор 10 отключен, выходная характеристика трансформатора соответствует графику 4 на фиг.2, Вследствие того, что основной поток замыкается через сердечник магнитопровода 6, так как встречный поток в сердечнике магнитопровода 7, образованный при протекании тока в обмотке 11, вытесняет основной поток, происходит понижение его магнитной проницаемости. В случае принудительного намагничивания обмоткой 18 выходная характерис-25 стванной индуктивностью. Интегратор

тика трансформатора при отключении тиристора 10 принимает вид, показанный на фиг.2, график 5. Следовательно, при изменении насыщенности и фа10

зового угла управления тиристором выходной ток регулируется от 8 до ЗООА.

Процесс регулирования осуществляется следующим образом. При фикси10

рованном значении напряжения с задат- og ния сердечника трансформатора, коточика 22, которое подается через сумматор 21 на второй вход компаратора 16 -(фиг.За, график l), на первый вход которого подается пилообразное напряжение (фиг.За, график 2) с второго выхода генератора 15, по переднему фронту импульса выходного напряжения с компаратора 16 (фиг.Зб) через формирователь 17 импульсов осуществляется включение тиристора 10, где задний фронт импульса совпадает по времени с включением тиристоров инверторного моста 1. Кроме того, напряжение с выхода сумматора 21 через интегратор 20 и усилитель 19 определяет уровень насьш1ения сердечника магнитопровода 7. При yMeHjb- щении напряжения задания происходит уменьшение задержки фазового угла тиристора 10 и уменьшение насьш ения сердечника магнитопровода 7, что вызывает увеличение выходного тока при некотором постоянстве скважности выходных импульсов. Изменяя величину

рое обеспечивает уменьшение фазового угла включения тиристора 10. Кроме того, выходной сигнал с интегратора 26 через компаратор 25 и формирова40 тель 24 определяет включенное и выключенное состояния выпрямителя 23. Задавая значение опорного напряжения с блока 28 на второй вход компаратора 25, можно отключить вьшрямитель 23

45 при превьшхении значения выходного тока и тем самым расширить диапазон получаемых токов.

Когда не требуется такой широкий диапазон регулирования выходного то50 ка, можно, изменяя соотношение сечений магнитопроводов 6 и 7, изменить токи, формируемые в обмотках 9 н М. При уменьшении сечения магнитопровода 6 и увеличении сечения магнито55 провода 7 проходит распределение в этой же пропорции магнитного потока, наведенного первичной обмоткой. При больших токах используется запараллеливание вентильных элементов. Так

333495

постоянной интегрирования к циент усиления интегратора 20, можно осуществлять основное регулирование с обмоткой подмагничивания, что позволяет реализовать минимальный фазовый угол при заданном значении выходного тока и повысить надежность работы тиристора 10, так как при малых углах

10 регулирования соотношение /ai-t через тиристор минимально. В случае быстротечных процессов изменения нагрузки происходят обработка фазового управления и с некоторой задержкой

15 изменение насыщения сердечника тран- сформатора, следовательно, улучшается динамика переходного процесса с применением насыщающихся элементов. Наличие интегратора 26 в цепи обрат20 ной связи позволяет использовать стандартный измерительный шунт, который измеряет величину тока нагрузки 13 и полезный сигнал ниже уровня помехи, которая обусловлена его соб26, компенсируя помеху, вьщеляет среднее значение проходящего импульсного выходного тока в течение нескольких периодов и осуществляет 30 коррекцию через сумматор 2 напряжения задания. Коррекция сигнала задания осуществляет автоматическое перераспределение между фазовым регулированием и регулированием насыщерое обеспечивает уменьшение фазового угла включения тиристора 10. Кроме того, выходной сигнал с интегратора 26 через компаратор 25 и формирователь 24 определяет включенное и выключенное состояния выпрямителя 23. Задавая значение опорного напряжения с блока 28 на второй вход компаратора 25, можно отключить вьшрямитель 23

при превьшхении значения выходного тока и тем самым расширить диапазон получаемых токов.

Когда не требуется такой широкий диапазон регулирования выходного тока, можно, изменяя соотношение сечений магнитопроводов 6 и 7, изменить токи, формируемые в обмотках 9 н М. При уменьшении сечения магнитопровода 6 и увеличении сечения магнитопровода 7 проходит распределение в этой же пропорции магнитного потока, наведенного первичной обмоткой. При больших токах используется запараллеливание вентильных элементов. Так

как ток в данной обмотке уменьшается уменьшается и.количество управляемых вентилей. Загрузка по току между управляемыми и неуправляемыми вентилями различна и больше у последних. Уменьшение общего количества вентилей приводит к повышению надежности и КПД, уменьшению веса и габаритов. В ферромагнитных материалах известен продольный магнитострикцион- ный эффект, который возникает при наличии магнитного поля, наведенного током, протекающим чере з катушку, охватывающую ферромагнитньй сердечник, который под действием поля сжимается и находится в состоянии насыщения. Известен также поперечный скручиваюш;ий магнитострикдионный эффект, который возникает при протекании электрического тока через ферромагнитную пластину. Магнитострик- ционный эффект объясняется переориентацией вектора напряженности магнитного поля доменных структур по направлению внешнего магнитного поля. Вследствие этого происходит сокращение линейных размеров ферромагнитного материала и уменьшение его магнитной проницаемости. Если магнитопро- вод трансформатора навит из ленты и по этой ленте протекает электрический ток, то он вызывает скручивающий эффект магнитострикции и понижение проницаемости ферромагнитного материала без заметных изменений его линейных размеров. Следовательно, изменяя величину тока, можно регулировать величину насыщения сердечника. Для трансформатора повьппенной частот используется электротехническая сталь толщиной порядка 0,02 мм и малым сечением, для насьш1,ения которой требуются токи, не превышающие 10 А. При указанном способе насыщения маг- нитопровода 7 отсутствует высокое напряжение на обмотке намагничивания, вследствие чего повышается надежность, а также уменьшается вес источника, так как нет необходимости в дополнительной обмотке подмагни чивания.

Полное насыщение всего магнито- провода 6 или 7 недопустимо, так как ухудшается магнитная связь отсекающей обмотки 8 с первичной обмоткой 5, что резко ухудшает режим работы инверторного моста 1. При режимах, приближающихся к глубокому насыщению

5

0

5

0

5

0

5

0

55

всего магнитопровода , наблюдается скачкообразное изменение реактивного сопротивления первичной обмотки 5 и режим работы инверторного моста 1 приближается к режиму холостого хода, что приводит к срыву инвертирования. Следовательно, нacьш eниe только магнитопровода 7 и частичное поднасьш1ение магнитопровода 6 за сче т нескомпенсированной постоянной составляющей тока в первичной обмотке 5 позволяет осуществить устойчивую работу инверторного моста 1 при широком регулировании выходного тока в диапазоне от 0,03 до 1,0 номинального значения. Для улучшения стабилизации скважности выходного импульса тока необходимо задавать переменный коэффициент усиления для усилителя 19, питающего обмотку 18 под- магничивания. Это позволяет при больших заданных фазовых углах управления тиристора 10 производить более глубокое насьпцение сердечника магнитопровода 7 и тем самым при малых выходных токах уменьшить величину фазового угла. На фиг.4 (график l) показана зависимость выходного тока от величины выходного напряжения усилителя 19 при переменном коэффициенте усиления, зависящем от величины напряжения задания (фиг.4, график 2). Б примере конкретного исполнения источника (фиг.1) коэффициент усиления усилителя 19 постоянен.

Таким образом, источник позволяет повысить качество сварного соединения за счет расширения диапазона регулирования сварочного тока.

Формула изобретения

Источник питания сварочной дуги, содержащий инверторш й мост, плюсом соединенный с одной обкладкой конденсатора фильтра и через дроссель с плюсом входного выпрямителя, минус которого соединен с второй обкладкой конденсатора фильтра и через первичную обмотку трансформатора с минусом инверторного моста, .причем трансформатор выполнен на двух двух- стержневых магнитопроводах, при этом первичная и отсекающая обмотки трансформатора охватывают один стержень каждого двухстержневого магнитопровода, а другой стержень охватывает каждый из вторичных обмоток

трансформатора, первые выводы вторич ных обмоток трансформатора подключены соответственно через первый диод и тиристор к катоду второго диода, анод которого соединен с вторыми выводами вторичных обмоток трансформатора , задатчик управляющего напряжения , первый управляющий выход гене ратора управления соединен с тиристо рами инверторного моста, а второй - через компаратор и формирователь импульсов управления соединен с тиристором, отличающий ся тем, что, с целью повышения качества сварного соединения за счет расширения диапазона регулирования сварочного тока, в него введены последовательно соединенные сумматор, первый I

33495

интегратор, усилитель и дополнительная вторичная обмотка трансформатора, задатчик опорного напряжения и последовательно соединенные второй интегратор, второй компаратор, второй формирователь управляющих импульсов и упра;вляемый вьтрямитель, при этом отсекающая обмотка трансформатора

10 через управляемый выпрямитель подключена параллельно конденсатору фильтра, первый вход сумматора соединен с задатчиком управляющего напряжения, а второй вход сумматора соединен с 15 первим входом второго компаратора, второй вход которого соединен с задатчиком опорного напряжения, а выход сумматора соединен с вторым входом первого компаратора.

Изобретение относится к области сварочного производства, а именно к источникам питания, и может найти применение в машиностроительной, приборостроительной и других отраслях промьшшенности. Изобретение позволяет повысить качество сварного соединения за счет расширения диапа-. зона регулирования сварочного тока. Для этого в источнике, содержащем неуправляемый вьтряьа1тель, трансформатор, инверторный мост, управляемый выпрямитель и т.д., трансформатор Еьшолнен с дополнительной вторичной обмоткой подмагничивания со схемой управления, что позволяет регулировать ток в более широком диапазоне. При этом можно отключать управляемый выпрямитель при превышении значения выходного тока. 4 ил. (Л со 00 со 4 со ел

Фиг, 1

тлзооА .

01/3.2

2

500А

u

п п п

и

q3us.3

фиг.

Редактор А.Лежнина

Составитель В.Грибова Техред В.Кадар

Заказ 3908/13Тираж 974Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Корректор, Л.Бескид