Генератор импульсов сварочного тока Советский патент 1987 года по МПК B23K9/09 B23K9/10 

Изобретение относится к источникам питания для дуговой сварки и может быть использовано для аргонно- дуговой сварки неплавящимся электродом алюминия и его сплавов, а также в других областях техники для питани нагрузки разноамплитудными импульсами регулируемой длительности.

Целью изобретения является noBiii- шение качества сварного шва за счет расширения диапазона изменения параметров импульсов сварочного тока, расширение функциональных возможностей reHe iaTopa и улучшение его массо- 15 У быть использованы различные уст- габаритных показателей.

На фиг . 1 изображена принципиальная электрическая схема генератора импульсов сварочного тока при магнитроиства, например транзисторы, одно- операционные и-комбинированно-выключаемые тиристоры с узлами искусственной коммутации, запираемые тирисно-связанных секциях индуктивного на- 20 тоРЫ. оптоэлектронные приборы и т.п.

копителя энергии; на фиг. 2 - вариан- Индуктивный накопитель представляет собой электромагнитную систему, состоящую из двух магнитно-связанных

ты выполнения источника питания; на

фиг. 3 - график тока через дуговой

промежуток при использовании в схеме.

(фиг. l) только первого и второго уп- 25 на общем ферромагнитном сердечнике,

равляемых ключей; на фиг. 4 - графи- имеющем немагнитный зазор.

обмоток, расположенных, как правило.

и тока через дуговой промежуток при спользовании всех управляемых ключей в схеме (фиг. 1); на фиг. 5 - принципиальная электрическая схема генератора импульсов сварочного тока при выполнении индуктивного накопителя в виде двух магнитно-несвязанных секций; на фиг, 6 - графики токов через дуговой промежуток и секции-индуктив- 35 ного накопителя энергии; на фиг. 7 - схема генератора с управляемым ключом в виде тиристорного мостового коммутатора с конденсатором в диагонали.

Генератор импульсов сварочного тока (фиг. О состоит из источника 1 питания, двухсекционного индуктивного накопителя 2 энергии, первого 3 и вто30

10

В общем случае напряжение между третьим и первым выводами может быть

второго 4 управляемых ключей, соединенных с блоком 5 управления, первой 45 Равно напряжению между третьим и 6 и второй 7 выходных клемм, между ко- вторым выводами. Например, в схеме которыми включен дуговой промежуток « фиг. 2, б это достигается при раз- 8, причем первый вывод 9 источника 1 личном количестве элементов между питания через первый управляемый ключ этими парами выводов, а в схеме на

3 присоединен к первому выводу 10 ин- 50 Р Различном количестве дуктивного накопителя 2 энергии, вто- - витков вторичных обмоток трансформа- рой вывод П источника 1 питания че- тора. рез второй управляемый ключ 4 соеди; ней с вторым; выводом 12 индуктивного На фиг. 3 кривая 15 - график то- накопителя 2 энергии, первая выходная 55 через дуговой промежуток 8 при ис- клемма 6 присоединена к отводу 13 от пользовании - в схеме (фиг. 1) только места соединения секций индуктивного первого и второго управляемых.ключей, накопителя 2.энергии, источник 1 пи- Генератор импульсов сварочного то.тания выполнен с третьим выводом 14 ка работает следующим образом.

от средней точки, который соединен с второй выходной клеммой 7,

Блок 5 управления в этом случае осуществляет поочередное включение и выключение управляемых ключей 3 и 4 таким образом, чтобы включенному состоянию ключа 3 всегда соответствовало выключенное состояние ключа 4, а включенному состоянию ключа 4 - выключенное состояние ключа 3. Длительность и частота включенного состояния ключей регулируются,

В качестве управляемых ключей быть использованы различные уст-

роиства, например транзисторы, одно- операционные и-комбинированно-выключаемые тиристоры с узлами искусственной коммутации, запираемые тирисобмоток, расположенных, как правило.

Для выполнения источника питания с третьим выводом от средней точки можно использовать различные техниче- ские решения. На фиг. 2 представлены варианты выполнения источника питания с третьим выводом от ср едней точ- , ки, Он может быть выполнен, например, в виде выпрямителя с выводом от нулевой точки вторичной обмотки трансформатора (фиг. 2, а), в виде аккумут ляторной батареи с выводом от части элементов (фиг. 2,б), в виде двух последовательно соединенных выпрямителей (фиг. 2,в) или аккумуляторных батарей (фиг,,2, г) с выводом от точки их соединения и т.п.

В общем случае напряжение между третьим и первым выводами может быть

13

. Дуговой промежуток 8 приводится в проводящее состояние в момент t (фиг, З), Это можно сделать с помощью

например, осциллятора или касанием

электрода поверхности изделия. При

подаче сигнала управления с блока 5 на управляемый ключ 3 он включается. При этом секция 10-13 индуктивного накопителя 2 энергии через включен- ньгй ключ 3 и дуговой промежуток 8 заряжается от источника 1 питания. Ток протекает по цепи первый вывод 9 источника 1 питания - ключ 3 - секция 10-13 - клемма 6 - дуговой проме- жуток 8 - клемма 7 - третий вывод 14 источника 1 питания. Происходит заряд индуктивного накопителя 2 энергии от источника 1 питания. Ток через дуговой промежуток 8 увеличивается и про- текает от клеммы 6 к клемме 7, примем это направление за положительное. В момент t блоком 5 управления ключ 3 выключается, а ключ 4 включается. За счет взаимной индукции между секциями 10-13 и 13-12 индуктивного накопителя 2 ток перехватывается в секцию 13- 12 и протекает по цепи 13 - 12-41 - 11-14-7-8-6-13. В течение времени t - t происходит заряд ин- дуктивиого накопителя 2 через секцию 13-12. Ток через дуговой промежуток 8 в момент t скачкообразно изменяет свое направление и через дугу формирует отрицательный импульс тока. В

момент t. блоком 5 управления снова включается ключ 3, а ключ 4 выключается. За счет взаимной индукции, между секциями 10-13 и 13-12 индуктивного накопителя 2 ток перехватыва- ется в секцию 10-13 и снова протекает по цепи 9-3-10-13-6- 8-7-14. Через дуговой промежуток 8 снова формируется пол-ожительный импульс тока. Заряд индуктивного на- копителя 2 энергии и увеличепие тока в цепи дуги могут происходить как в течение нескольких периодов, так и в течение одного полупериода в зависимости от соотношения периода еле- дования импульсов и величины постоянной времени секций индуктивного накопителя. В установившемся режиме величина тока остается постоянной. Амплитуды импульсов токов прямой и об- ратной полярностей определяются величиной запасенной энергии в индуктивном накопителе и соотношением индук- тивностей его секций. Длительность

2

импульсов токов и частота их следования определяются только моментами переключения ключей. Выбирая различные соотношения индуктивностей секций 10-13 и 13-12 за счет, например, изменения количества их витков, можно регулировать соотношение амплитуд токов прямой и обратной полярностей. Изменяя блоком 5 управления моменты переключения ключей 3 и 4, можно регулировать частоту и соотношение длительностей импульсов токов разных полярностей.

Регулирование соотношения амплитуд токов разных полярностей при помощи изменения количества витков секций ин индуктивного накопителя производится дискретно. Для плавной регулировки этого соотношения в пределах дискретности изменения витков взаимно индуктивно связанных секций в генератор импульсов сварочного тока могут быть введены третий 16 и четвертый 17 управляемые ключи, которые соединены параллельно индуктивному накопителю 2 в точках 10 и 12, причем точка соединения управляеьых ключей 16 и 17 соединена с второй выходной клеммой 7.

Блок 5 управления в этом случае осуш,ествляет противофазную работу ключей 3 и 17, а также 4 и 1б, причем пары ключей 3 и 17, 4 и 16 работают поочередно. Длительность включенного состояния всех ключей, а также длительность работы каждой из вышеуказанных пар ключей регулируются.

Генератор импульсов сварочного тока по фиг. 1 в этом случае работает следующим образом. Рассмотрим его работу в установившемся режиме, когда все переходные процессы окончены. В начальный момент времени t (фиг. 4) дуга возбуждена, блоком 5 включен ключ 3, остальные ключи выключены. Через секцию 10-13 протекает ток величиной I , Ток протекает по цепи 9-3-10-13-6-8-7- 14. При этом секция 10-13 индуктивног го накопители 2 энергии через включенный ключ 3 и дуговой промежуток 8 заряжается от источника 1 питания. Ток через дуговой промежуток увеличивается. В момент t он достигает величины 3 ;„ . При этом блоком 5 управления ключ 3 запирается, а ключ 17 включается. Ток замыкается по цепи 10 - 13 - 6-8-7-17. Источник 1 питания от

сварочной цепи отключается, а ток через дугу поддерживается за счет энергии, запасенной в индуктивном накопителе 2. При этом индуктивный накопитель разряжается и ток в цепи уменьшается, В момент t, когда ток уменьшится до величины , блоком 5 управления снова включается ключ 3, а ключ 17 выключается. При этом опять происходит заряд индуктивного накопителя 2 и ток в цепи дуги увеличивается. Далее в течение времени формирования положительного импульса тока генератор работает аналогично. Величина тока в сварочной цепи определяется отношением времени t - t, заряда индуктивного накопителя 2 к

времени t.

- t, его разряда.

Чем

больше это отношение, тем больше средний ток положительной полярност В момент времени t, ток уменьшается до величины , Доггустим, в этот момент необходимо изменить полярност тока через дугу на противоположную. Для этого ключи 3 и 17 выключаются, а работать начинает вторая пара ключей 4 и 16. Допустим, в момент t включается сначала ключ 4, ключ 16 при этом заперт. За счет взаимоиндукции между секциями 10-13 и ток перехватывается в секцию 13-12 и протекает по цепи 13 - 12 - А - 11 - 14-7-8-6-13. В течение времени t, - t. секция 13-12 индуктивного

1V,/

Накопителя 2 через включенный ключ ч и дуговой промежуток 8 заряжается от источника 1 питания. Ток через дуговой промежуток 8 скачком изменяет свое направление и увеличивается по абсолютной величине от значения в момент t-j до значения „ в момент t.. В момент t ключ 4 запирается

с

блоком 5 управления, а ключ 16 включается. Ток замыкается по цепи 13 - 12-16-7-8-6-13. Источник 1 питания отключается от сварочной цепи, а ток через дугу поддерживается за счет энергии, запасенной в индуктивном накопителе 2 энергии. Индуктивный накопитель 2 при этом разряжается, и ток в цепи уменьшается. В момент t.

когда ток уменьшается до

значения З, блоком 5 управления снова включается ключ 4, а ключ 16 выключается. При этом опять происходит заряд индуктивного накопителя 2 и ток в цепи дуги увеличивается. Далее в течение формирования отрицатель372

10

15

,

20

25

30

35

40

45

50

55

126

ного импульса тока генератор работает аналогично. Величина тока в сварочной цепи определяется отношением

времени t - t„ заряда индуктивного

о накопителя 2 к времени tg - tg его

разряда. Чем больше это отношение, тем больший средний ток отрицательной полярности протекает через дугу. Таким образом, изменяя отношение времени заряда и времени разряда индуктивного накопителя 2, с помощью блока 5 управления можно независимо и плавно регулировать величину токов разных полярностей. Изменяя моменты t и t, можно плавно регулировать длительность импульсов токов разных полярностей.

При изготовлении секционированных индуктивных накопителей обеспечить абсолютную магнитную связь между секциями невозможно. Поэтому каждая секция обладает небольшой собственной индуктивностью рассеяния. Это приводит к тому, что изменение полярности тока дуги происходит не мгновенно, а в течение определенного времени. В связи с этим скорость прохода тока через нуль уменьшается, что ухудшает стабильность горения дуги. Увеличиваются также перенапряжения на управляемых ключах и для их уменьшения необходимо применять специальные меры, усложняющие изготовление и наладку генератора.

Для уменьшения отрицательного влияния этих явлений в генераторе импульсов сварочного тока может быть применен индуктивный наполнитель, выполненный в виде двух магнитно-несвязанных секций, и введены при этом пятый 18 и шестой 19 управляемые ключи, которые соединены последовательно и присоединены параллельно индуктивному накопителю энергии в точках 10 и 12, причем точка соединения управляемых ключей соединена с первой выходной клеммой 6 (фиг. 5).

Блок 5 управления в этом случае осуществляет противофазную работу ключей 3, 19 и 4, 18 таким образом, чтобы включешюму состоянию ключей

3и 19 всегда соответствовало выключенное состояние ключей 18 и 4, а включенному состоянию ключей 1В и

4- выключенное состояние ключей 3 и 19. Длительность и частота включенного состояния ключей регулируются.

r

На фиг. 6 кривая 20 - график тока через секцию 10-13, кривая 21 - график тока через секцию 13-12, кривая 22 - график тока через дуговой проме- жуток 8.

Генератор импульсов сварочного тока по фиг. 5 работает следующим образом.

В момент tp (фиг. 6) дуговой про- межуток 8 приводится в проводящее состояние. Это можно сделать с помощью например, осциллятора или касанием электрода поверхности изделия. При подаче сигнала управления с блока 5 на управляемые ключи 3 и 19 они включаются. При этом секция 10-13 через включенный ключ 3 и дуговой промежуток 8 заряжается от источника 1 питания. Ток протекает по цепи 9 - 3 - 10-13-.6-8-7- 14. При этом увеличивается ток как цепи секции 10-13, так и в цепи дуги. Ток в секции 13-12 равен нулю. В момент t,

блоком 5 управляемые ключи 3 и 19 выключаются, а ключи 4 и 18 включаются. Ток в цепи дуги скачком уменьшается до нуля. Секция 13-12 через включенный ключ 4 подключается к источнику 1 питания через дуговой про- межуток 8 и заряжается. Ток протекает по цепи 14-7-8-6- 13- 12- 4-11 - 14. При этом ток в цепи дуги увеличивается в обратном направлении вместе с током секции 13- 12, а ток в секции 10-13 уменьшается протекая по цепи 10-13-18 - 10, из-за диссипации ее энергии на внутреннем сопротивлении и сопротивлениях ключа 18, соединительных проводов и контактных соединений. В момент tj токи в обеих секциях не равны нулю и блоком 5 снова включаются ключи 3 и 19, а ключи 4 и 18 выключаются. При этом ток дуги скачком изменяет свое направление и становится равным току секции 10-13, которая снова заряжается. Ток увеличивается в цепи дуги и секции 10-13, протекая по цепи 9 - 3-10-13-6-8-7-14-9, а ток секции 13-12 уменьшается, протекая по цепи J3 - 12 - 19 - 13, из-за диссипации ее энергии на внутреннем сопротивлении и сопротивлениях ключа 19, соединительных проводов и контакт ных соединений. В момент t. токи в обеих секциях не равны нулю, блоком 5 управления снова включа отся ключи -4 и 18, а ключи 3 и 19 выключаются.

При этом ток дуги скачком изменяет свое направление и становится равным току секции 13-12, которая снова заряжается. Далее генератор импульсов сварочного тока по фиг. 5 работает аналогично. Выбирая различные соотношения индуктивностей секций 10-13 и 13-12, за счет, например, изменения количества витков, можно регулировать соотношение амплитуд токов прямой и обратной полярностей. Изменяя блоком 5 управления моменты переключения ключей 3, 4, 18 и 19, можно регулировать частоту и соотношение длительностей импульсов токов разных полярностей.

Управляемые ключи, выполненные на полностью управляемых полупроводниковых приборах (транзисторах, опто- электронных приборах, запираемых тринисторах), в настоящее время могут обеспечить эффективную коммутацию сравнительно небольших токов. При токах в сотни ампер более целесообрано использование неполностью управляемых приборов - тиристоров, которые снабжены узлами искусственной коммутации. В частности, в генератор импульсов сварочного тока по меньшей мере один из ключей, например ключ 3 может быть выполнен в виде тиристор- ного мостового коммутатора (фиг. 7) на тиристорах 23-26 с конденсатором 27 в диагонали.

В зависимости от алгоритма управления тиристорами 23 - 26, коммутатор может работать в нескольких режимах.

В первом режиме тиристоры 23 и 24 являются силовыми, а тиристоры 25 и 26 - коммутир тощими. Для включения коммутатора сигналы управления одновременно ) подаются на тиристоры- 23 и 24, они включаются и ток протекает через коммутатор. Для выключения коммутатора один из тиристоров 23 или

24запирается. Запирание осуществляется путем подачи сигнала управления на один из коммутирующих тиристоров

25или 26 в зависимости от полярности напряжения предварительно заряженного конденсатора 27. Если полярность на нем такова, как на фиг. 7 без скобок, то сигнал управления подается на тиристор 25. В этом случае к тиристору 23 через открытый тиристор 25 прикладывается обратное напряжение и он запирается. Ток через коммутатор по

П3

мере перезаряда конденсатора 27 умень шается до нуля. Если полярность напряжения на конденсаторе 27 такова, как Локазана в скобках, то сигнал управления подается на тиристор 26. При этом запирается силовой тиристор 24.

Для следующего включения коммутатора сигнал управления снова подается на оба тиристора 23 и 24.

Во втором режиме работы поочередно включаются пары тиристоров 23, 26 и 24, 25, расположенные в противоположных плечах моста.

При включении тиристоров 23 и 26 конденсатор 27, имеющий полярность напряжения, показанную в скобках, перезаряжается через тиристоры 23 и 26 и внешнюю цепь. Когда он перезарядит ся до необходимого уровня напряжения в полярности без скобок, включаются тиристоры 24 и 25. К тиристорам 23 и

26прикладывается обратное напряжение и они запираются. Конденсатор 27 начинает перезаряжаться в обратной полярности через тиристоры 24 и 25 и внешнюю цепь. Таким образом, за счет циклического перезаряда конденсатора

27коммутатор пропускает ток до тех пор, пока подаются сигналы управления на тиристоры 23-26. При -.снятии сигналов управления цикличность перезаряда конденсатора нарушается и ток через коммутатор прекращается.

Первый режим работы коммутатора це целесообразно использовать при сравнительно низкой частоте работы коммутатора. В этом случае установленная мощность тиристоров невелика. При увеличении частоты импульсов установленная мощность тиристоров возрастает На высоких частотах (несколько килогерц) целесообразно использовать второй режим работы, позволяющий получить более высокую предельную частоту коммутаций.

По сравнению с известным генератор обладает следующими преимуществами.

Для компенсации возмущаюш х воздействий на дугу и стабилизации ее горения в индуктивном накопителе прототипа необходим минимальный запас энергии А. Кроме этого, для проведения тока через дугу в течение одного из импульсов необходим дополнительный запас энергии А,. Таким образом, максимальная энергия А , на которую должен быть изготовлен индуктивный на

5

5

0

5

21

5

2 О

КОПИТОЛ1, прототипа, Л Л + Л. Если энергии и пем будет ; апасено меньше, то или дуг а будет гореть неустойчиво, или не будет обеспечена необходимая длите.П1,ность протекания импульсов тока, что приведет к появлению бестоковой паузы в дуге и прекращению сварочного процесса.

В предлагаемом генераторе запасаемая в индуктивном накопителе энергия может быть значительно ниже ног- раничена только энергией, необходимо для стабильного горения дуги. В этом случае поддержание необходимой стабильности импульса тока осуществляется не за счет энергии, запасаемой в индуктивном накопителе, а за счет энергии, потребляемой от источника питания. Это нозволяет уменьшить индуктивность секций индуктивного накопителя и, следовательно, уменьшить массу, габариты и расход активных материалов на его изготовление.

Меньший запас энергии в индуктивном накопителе позволяет использовать источники питания с меньшим напряжением холостого хода, что также улучшает массогабаритные показатели генератора.

Длительность протекания тока любой полярности в предлагаемом генераторе гораздо больше. Практически он может быть любым и генератор может использоваться даже для сварки постоянным током любой полярности, что значительно расширяет его функциональные возможности, Широкий диапазон изменения параметров импульсов сварочного тока позволяет повысить качество сварного шва за счет возможности установки оптимальных параметров импульсов в каждом отдельном случае, а также рационально распределить энергию между свариваемым изделием и вольфрамовым электродом, что повышает его долговечность и снижает расход вольфрама .

0

0

5

50 Формула изобретения

1. Генератор импульсов сварочного тока, содержащий источник питания, двухсекционный индуктивный накопитель энергии, первую и вторую выходные клеммы, между которыми включен дуговой промежуток, первый и второй управляемые ключи, блок управления, причем первый вывод источника питания

55

13

через первый управляемый ключ присоединен к первому выводу индуктивного накопителя энергии, второй вывод источника питания через второй управляемый ключ соединен с вторым выводом индуктивного накопителя, первая выходная клемма присоединена к отводу от места соединения секций индуктив- ного накопителя, отличаю- щ и и с я тем,, что, с целью повышения качества сварного соединения, источник питания выполнен с выводом от средней точки, который соединен- с второй выходной -клеммой.

2. Генератор по п. I, отличающийся тем, что . в него введены третий и четвертый управляемые ключи, соединенные с блоком управления последовательно и присоеди- ненные параллельно индуктивному накопителю энергии, причем точка соединения управляемых ключей соединена с .второй выходной клеммой.

3. Генератор по п. 1, о т л и - . чающийся тем, что индуктивный накопитель энергии вьтолнен в виде двух магнитно не связанных секций и в него введены пятый и шестой управляемые ключи, которые соединены с блоком управления последова-.

вательно и присоединены параллельно индуктивному накопителю энергии, причем точка соединения управляемых клю чей соединена с первой выходной клеммой.

4. Генератор по п. 1, о т л и - ч а ю щ- и « с я тем, что по крайней мере один из управляемых ключей выполнен в виде тиристорного мостового коммутатора с конденсатором в диагонали .

Ло П

щ

5 Пw

Т

/

...и

to

t2

Ч

I

1

Vi

1

J/

..„.)

Изобретение относится к источникам питания для дуговой сварки и может быть использовано для аргонно-ду- говой сварки неплавящимся электродом алюминия и его сплавов. Целью изобретения является повышение качества сварного шва за счет расширения диапазона Изменения параметров импульсов сварочного тока, расширение функциональных возможностей генератора и улучшение его массогабаритных показателей. Для достижения цели источник питания выполнен с выводом от средней точки. Кроме того, генератор снабжен дополнительными управляемыми ключами, один из которых выполнен в виде тиристорного мостового коммутатора с конденсатором в диагонали. В двухсекционном индуктивном накопителе энергии электрический ток протекает поочередно в каждой из секций, что позволяет в дуговом промежутке получать разнополярные и разноампли- тудные импульсы сварочного тока. 3 3.п.ф-лы, 7 ил. i (Л

/я/ «

I I

LL

t, г t2 i

m

JL

tf tj

Фыг.5

Г

.7

Составитель В. Пу-чинский Редактор Э. Слнган Техред М.Дидык Корректор В.Бутяга

А080/13

Тираж 974Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

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