Источник питания для дуговой сварки Советский патент 1989 года по МПК B23K9/00 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для использования в источниках питания для дуговой сварки.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей и повьш1ение качества сварного соединения при регулировании процесса сварки путем плавного изменения величины и знака крутизны статической вольт-амперной характеристики.

На фиг.1 представлена функциональная схема источника питания для дуговой сварки; на фиг.2 - пример выполнения переключателя;на фиг.З - вариант исполнения задатчиков тока и напряжения дуги.

Источник питания для дуговой сварки (фиг.1) содержит преобразователь 1 энергии, датчик 2 тока, датчик 3 напряжения дуги, задатчики 4 тока и 5 напряжения дуги, выходы которых соединены соответственно с первыми входами первого 6 и второго 7 узлов рассогласования, вторые входы которых соединены соответственно с выходами датчиков 2 тока и 3 напряжения дуги. Выходы первого 6 и второго 7 узлов рассогласования подключены соответственно к первому и второму входам блока 8 задания крутизны характеристики, первьш и второй регулируемые выходы которого соединены соответственно с первым и вторым неин со

0д

СО

31496943

вёртирующими входами сумматора 9, . выход которого соединен с входом блока 10 формирования управляющего сигнала выход которого соединен с- уп , равляющим входом преобразователя 1 энергии Кроме того, источник питания содержит преобразователь 11,- выходы с первого по четвертый которого сое- динены соответственно с входами с JQ второго по пятый задатчика 4 тока, а выходы с пятого по восьмой - соответственно с входами с второго по пятый задатчика 5 напряжения дуги, выход которого соединен также с тре- 5 тьим неинвертирующим входом сумматора 9, четвертый и пятый инвертирующие входы которого соединены соответственно с третьим и -четвертым не регулируемыми выходами блока 8 зада- 20 ния крутизны характеристики. Первый вход 12 задатчика 4 тока соединен с выходом датчика 2 тока, а первый вход 13 задатчика 5 напряжения связан с выходом датчика 3 напряжения 25 дуги,

Переключатель 11 (фиг.2), служащий для управления работой задатчи- ков 4 тока и 5 напряжения, снабжен первой 14, второй 15, третьей 16 и ЗО четвертой 17 кнопками с нормально разомкнутыми контактами, пятой кнопкой 18 с переключающими контактами, первым реле 19 с переключающим первым контактом 20, второе реле 21 со вто- рьм 22 и третьим 23 нормально разомкнутыми контактами, третье реле 24 с четвертым 25 и пятым 26 нормально замкнутыми kOHTaKTaMH, Обмотки второго 21 и третьего 24 реле зашунти- рованы конденсаторами и последова- тельно с этими обмотками, а также с обмоткой первого реле 19 установлены ограничительные сопротивления. Переключатель . 11 имеет две группы с первого по четвертый 27-30 и с пятого по восьмой 31-34 выходов, За- датчики 4 тока и 5 напряжения дуги .являются конструктивно идентичными, Задатчик 4 тока (фиг,3) имеет первый ЗЗр второй 36 и третий 37 повторите- ли напряжения на операционных усилителях, на микросхемах, четвертое реле 38 с шестым нормально разомкнутым контактом 39, первый 40 и второй 41 конденсаторы, пятое реле 42 с седьмым нормально разомкнутым контактом 43, шестое реле 44 с восьмым нормально разомкнутым контактом 45 и седьмое

Г

35

4lf

45

55

5

О

5

lf

5

5

реле 46 с девятым нормально разомкнутым контактом 47. Узла 6, 7 рассогласования представляют собой дифференциальные усилители с единичными коэффициентами усиления. Коэффициенты передачи нерегулируемых делителей блока 8 задания крутизны характеристики равны 0,5, а регулируемых - способны изменяться от О до 1, Сумматор 9 имеет следующие коэффициенты передачи: по первому и второму входам равный 2, по и н в ер тирующим четвертому и пятому входам равный - 2, пи третьему входу имеет значение

----, где К и К, - коэффициенты пе- К К J

редачи элементов 1, 10 и 3 схемы.

Работа источника питания рассматривается в установившихся состояниях, поэтому цнерционные свойства звеньев не учитываются.

После подачи в источник питания для дуговой сварки питающего напряжения сети срабатывает четвертое реле 38 в задатчиках 4, 5 тока и напряжения и подключает первый конденсатор 40 к выходу первого повторителя 35, На выходе узлов 6, 7 рассогласования напряжение равно нулю, так как задат- чики 4, 5 тока и напряжения не формируют сигналов из-за разряженных вторых конденсаторов 41, и на выходйх датчиков 2 тока и 3 напряжения отсутствует напряжение вследствие равен- ства и 0, Условимся значениям выходных напряжений элементов схемы присваивать номер этого элемента.

Предположим, что источник питания для дуговой сварки настраивается для вьшолнения сварки вольфрамовым электродом в инертных газах, В этом , случае процесс возбуждения дуги легче осуществляется на возрастающей характеристике. Координаты центра вращения характеристики в осях ток - напряжение дуги задают с помощью с первой по четвертую кнопок 14-17 (фиг«2), при этом на выходах задатчи- ков 4, 5 тока и напряжения формируются напряжения U и U , Если сделать U., то центр вращения характеристики будет находиться на оси токов и

координата его , где К - коэффициент передачи датчика 2 тока.

Будем считать, что элементы схемы представлены пропорциональными звеньями с индексами, соответствующими

номеру каждого конкретного звена, а коэффициент передачи блоков 1, 10 обозначим К. Запишем вьфажение для сигнала управления U при замкнутых электродах источника питания:

u,-2(UgVu;)-U6-U7. (1)

где индексы Н и Т свидетельствует о том, что сигнал принадлежит цепи обратной связи по напряжению дуги, цепи обратной связи по току соответственно:

, . (K.I,-U),(2) где Kg и К - коэффициенты передачи 8 соответственно цепей обратной связи по напряжению дуги и по току ток сварочной дуги. Из фиг,1 следует, что:

U6 Ki-I--U4; ,, и,,Ку и,+Кв(К. I,

l

+04-KVU, , или

U,K,(2Kg-1 )U,+(2Kg-1) (.

Так как U,K U,, тогда и (2К8-1)и,+(2Ка-1)(Кг-UH).

Уравнение характеристики иметь вид:

К К,(2к1-1)

. и,

I

1-К-Кэ() «

К(2к1-1)

и.

(6)

,Кэ

1-K-Kj(2Kg-1)

При постоянных значениях крутизна статической вольтамперной

характеристики задается изменением

т н коэффициентов Kg и Kg.

После разведения электродов возбудится дуга и сформируется на указанной характеристике рабочая точка А. В этом случае напряжение дуги и ток дуги будут взаимосвязаны по выражению

K.K5(2Kj-1)

и. --1-K-K}(2Kg-1) К(2К8-1)

„ -и.(7)

1-K-Kj(2Kg-1)

Оптимальная крутизна этой характеристики в фазе возбуждения дуги часто не удовлетворяет условиям плавления и формирования сварного шва, что требует работы оборудования на другой, оптимальной крутизне

10

5

0

5

0

5

0

5

0

5

выбранной по другому критерию, ors-- тимизации, например гзометрическим параметрам шва.

Чтобы выявить оптимальную крутизну в фазе плавления кромок ч рования шва, необходимо плавно изменять величину и знак Крутизны характеристики, причем это изменение должно происходить в неподвижной рабочей точке процесса. Также необходимо, чтобы система регулирования выходных параметров источника питания продолжала сохранять свою способность отрабатывать возмущения в соответствии с тем текущим значением крутизны, которое было в момент действия возмущения.

Вьшолнить указанные условия можно нажатием пятой кнопки 18 переключателя 11 (фиг.2) и подстройкой коэффициентов кУ и к. До нажатия кнопки

Я о

18 на первых конденсаторах 40 задат- чиков 4, 5 тока и напряжения происходит выборка сигналов с датчиков 2 тока и 3 напряжения дуги. После нажатия и отпускания пятой кнопки 18 срабатывает первое реле 19 и блокируется первым контактом 20. Четвертое реле 38 размыкает шестой контакт 39 задатчиков 4, 5 тока и напряжения, Пе1Ьвый конденсатор 40 запоминает входной сигнал в момент размыкания шестого контакта 39. Через время t, определяемое RC-цепочкой, подключенной к обмотке второго реле 21, последнее срабатывает и замыкает второй 22 и третий 23 контакты. В результате срабатывает пятое реле 42 задатчиков 4, 5 тока и напряжения. Пятое реле 42 замыкает седьмой контакт 43, и в задатчиках 4, 5 тока и напряжения сигналы с первых конденсаторов 40 переписываются на вторые конденсаторы 41. Через время иtл определяемое RC-цепочкой, подключенной к обмотке третьего реле 24, последнее срабатывает, что приводит к размыканию четвертого 25 и пятого 26 контактов. Первое реле 19 отключается и возвращает первый контакт 20 в исходное состояние.

Через время At3, определяемое емкостью, подключенной к обмотке второго реле 21 и сопротивлением этой обмотки, выключается второе реле 21 и размыкает второй 22. и третий 23 контакты. В результате отключаются обмотки пятого реле 42 задатчиков 4,

тока и напряжения и, .следовательн

размыкается седьмой контакт 43. За- датчики 4, 5 тока и напряжения переводятся в режим хранения напряжения записанного на втором конденсаторе 41, Через время , определяемое емкостью, подключенной к обмотке третьего реле 24 и сопротивлением этой обмотки, выключается третье реле 24 и замыкает четвертый 25 и пятый 26 контакты. В результате срабатывает - четвертое реле 38, замыка ет шестой контакт 39, и задатчики 4, 5 тока и напряжения переходят в режим выборки входного напряжения на первом конденсаторе 40, Схема возвращается в исходное состояние. Доказательством неизменности положения рабочей точки А после нажатия и отпускания пятой кнопки 18 может служить следующее выражение S., .

и, и,,(8)

где и. - сигнал управления при горящей дуге после срабатывания пятой кнопки 18.

Штрихом будем отмечать сигналы после срабатывания пятой кнопки 18,

, - это координаты нового дентра вращения характерис

тики, который совпадает с рабочей

точкой А Так как , U 0, Uj-0,

, то о

1

К-К} 3

и.

J.

к

(9)

Докажем, что ,

Определим ток 1д из соотношения

1

() -. .-... К;К2() 2

40

4

(10)

Подставим значение тока

Докажем, что уравнения характери тик и, f (1л) и (la) независимо от значении коэффициентов кТ и Kg будут пересекаться в одной рабочей точке с координатами Цд,1д. Для

соотношения и„J получим:

п I (

(10) в выражение (4) для этого в уравнение U, f (Ъ ) вместо

45

1 подставим значение I

,(2Kg-1) U.+(2Kfl-1)x

л М v

1-К.К,(2К«-1) . т

4 К „ --и, +--U, - ( 2К„ К-К (Жд- г;

« к 1

8

UA

(11)

что и требовалось доказать.

Определим вид статической вольт- амперной характеристики, которая сформировалась после задания /нового центра вращения:

U4 - u s Кз-Uft , . ij-KziA; ,u,-KjUfl;

- и,);

ij ..I, К-К,

UA

Так как U,K U, , то

и,

в .; .) к;.,- г1

г

т и тт..

UC-42U +2и„-2-2- 8

8

У

2

lf 2K2Kg().2KvK;(u;-Uft) - -Kj-Ifl+KilAK,U, +K,UA.

TI-.. .. f- Tt tr TT

К К()

+ и.

l-K-Kj(Kg-l)

K K (1-2KJ)

j

1-K.K,(2Kg-1)

(12)

i-K. ()

Сравнение соотношения (12) с соотношением (7), связывающим ток и напряжение дуги в рабочей точке А, показывает, что уравнения имеют одинаковые коэффициенты при аргументах

г;

и..1д. Докажем, что свободные члены

уравнений одинаковы. Для этого используем ранее полученное вьфажение (7) для и и подставим его в выражение для свободного члена в уравнении (12):

Q i-K. ()

.

5

1-K-Kj(2K81)

, К-К4(2К81)

.

0

К(2Кв-1)

Т .. « ТТ

лн 41-K-K5(2Kg-1)

K(2Kj-1)

- .

1-К. К,(2Кд-1) 1-K-K,(2Kg-1)

Следовательно, полученное выражение для и, графически представлено ранее полученной характеристикой.

Докажем, что уравнения характеристик и, f (1л) и (la) независимо от значении коэффициентов кТ и Kg будут пересекаться в одной рабочей точке с координатами Цд,1д. Для

I (

этого в уравнение U, f (Ъ )

45

1 подставим значение I

Ли.

K-Kj(2Kg-1) 1-K-Kj(2Kj-1)

UA K-Ki(2Ka-1)

1-K K,(2Kg-1) U; Uft.

Л

Тангенс угла наклона статической вольт-амперной характеристики источника питания к оси тока будет равен:

К.К(2к;-1)

. (13)

1-K Kj(2Kg-1) Необходимо отметить, что система

регулирования источника питания ста- нввится неустойчивой при одновременном действии сигналов положительной обратной связи по току и положительной по напряжению. Для формирования строго вертикальной характеристики движок правого делителя напряжения блока 8 задания крутизны характеристики 8 (фиг,1) устанавливают в верхнее положение, а движок левого делителя напряжения переводят в положение немного выше среднего, при этом чем больше К, тем меньше величина

ц U

Kg - 0,5. Увеличение Кд будет приводить к формированию характеристики с положительной крутизной. Для формирования строго горизонтальной (жесткой) характеристики движок левого делителя напряжения блока 8 задания крутизны характеристики устанавливаю в нижнее положение, а движок правого делителя напряжения переводят в положение немного ниже среднего, при этом чем больше К, тем меньше величи

на Kg - 0,5. Увеличение К будет приводит к формированию характеристики с положительной крутизной,

В качестве преобразователя Т энергии может быть использован мощный преобразователь энергии с полупроводниковым регулятором тока. Его естественная характеристика должна быть жесткой. От жесткости этой характеристики будет зависеть точность работы системь. Повысить жесткость характеристики обычного полупроводниковог регулятора можно коррекцией коэффициента передачи К, пропорционального сварочному току. В качестве датчика 2 тока и датчика 3 напряжения дуги используют шунт и резисторный делитель напряжения при сварке постоянным током. При сварке пульсирующим током или при сварке переменным током датчика тока и напряжения должны включать в себя интегрирующие, детектирующие цепи.

Экспериментальные исследования источника питания для дуговой сварки в виде смакетированных блоков и устройств, подключенных через ШИМ-моду- лятор к преобразователю энергии с транзисторным регулятором, показали, что он обеспечивает получение сварных

соединений из стали 012Х18Н10Т толщиной 0,1-0,5 мм с плавным изменением величины и знака крутизны статической вольт-амперной характеристики Это позволяет непосредственно в процессе сварки оптимизировать крутизну характеристики с одновременной отработкой возмущений по току и напряжению дуги в соответствии с текущим значением параметра оптимизации, а следовательно, повысить качество формирования сварного шва.

15 ф

10

25

20

30

35

и я

ормула изобретен

Источник питания для дуговой сварки, содержащий преобразователь энергии, датчики тока и напряжения дуги, выходы которых соединены соответственно с первыми входами задат- чиков тока и напряжения дуги, выходы которых соединены соответственно с первыми входами первого и второго узлов рассогласования, вторые входы которых подключены соответственно, к выходам датчиков тока и напряжения дуги, выходы первого и второго узлов рассогласования подключены соответственно к первому и второму входам блока задания крутизны характеристи- ки, первьш и второй регулируемые выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входом сумматора,- выход которого соединен с входом блока формирования управляющего сигнала, выход которого соединён с управляющим входом преобразователя энергии, отличающийся тем, что, с целью расширения 40 технологических возможностей и повышения качества сварного соединения при регулировании процесса сварки путем плавного изменения величины и знака крутизны статической вольт- амперной характеристики, он содержит переключатель, сумматор выполнен пя- тивходовым, блок задания крутизны характеристики снабжен дополнительно двумя нерегулируемыми делителями нап45

ряжений тока и напряжения дуги, причем выходы переключателя с первого по четвертый соединены соответственно с входами с второго по пятый за- датчика тока, а выходы переключателя с пятого по .восьмой - соответственно с входами- с второго по пятый задатчи- ка напряжения дуги, выход которого соединен с третьим входом сумматора, четвертый и пятый инвертирующие вхо 1496943 2

ды которого соединены соответственно ми выходами блока задания крутизны с третьим и четвертым нерегулируемы- характеристики.

Изобретение относится к машиностроению ,в частности, к сварочному производству, и может быть использовано в источниках питания для дуговой сварки. Цель изобретения - расширение технологических возможностей и повышение качества сварного соединения при регулировании процесса сварки путем плавного изменения величины и знака крутизны статической вольт-амперной характеристики. Источник питания для дуговой сварки содержит преобразователь энергии, блок управления с цепями обратной связи по току и напряжению дуги и блок задания крутизны характеристики. Блок управления обеспечивает работу источника питания с настройкой оптимальной крутизны характеристики при сварке с автоматическим устранением отклонения тока, напряжения дуги от заданных значений. Одновременно производится отработка возмущений по току и напряжению дуги в соответствии с текущим значением оптимизируемого параметра. Качество формирования сварного шва повышается путем оптимизации крутизны вольт-амперной характеристики непосредственно в процессе сварки. 3 ил.

/

/

10

12

11

Фиг./

/

Дуга

tf