Источник питания для дуговой сварки Советский патент 1992 года по МПК B23K9/95 

Изобретение относится к сварочной технике, в частности к источникам питания для электродуговой сварки с повышенной частотой преобразования.

Целью изобретения является увеличение КПД источника за счет передачи в нагрузку реактивной энергии коммутирующего контура инвертора и снижение уровня шума за счет обеспечения возможности изменения

тока дуги в процессе сварки без регулирования рабочей частоты инвертирования, а также улучшение динамических и массо- габаритных характеристик источника и снижение уровня шума путем повышения предельной рабочей частоты инвертирования.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема источника питания

и структурная схема блока управления инвертором; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема инвертора; на фиг. 3- инвертор с использованием силового высокочастотного трансформатора с дополнительной обмоткой; на фиг. 4 - эпюры напряжений на различных элементах инвертора и токов в некоторых его цепях; на фиг. 5 - упрощенная принципиальная электрическая схема одного из возможных вариантов блока управления инвертором.

Источник питания (фиг. 1) состоит из выпрямителя 1 напряжения промышленной сети с выходным напряжением Е, последовательного несимметричного резонансного инвертора, в состав которого входит зарядный, разрядный 3 и обратный 4тиристоры, рабочий конденсатор 5, силовой высокочастотный трансформатор 6 и диодный двух- полупериодный выпрямитель 7 со средней точкой. Последний подключен через конденсатор фильтра 8, выходной дроссель 9 и сбрасывающий диод 10 дуговому промежутку. В цепь дуги включены датчики тока 11 и напряжения 12,

Блок управления инвертором содержит устройства 13 и 14 контроля состояния зарядного 2 и разрядного 3 тиристора соответственно, устройство 15 контроля напряжения на рабочем конденсаторе 5 и компаратор 16, первую 17 и вторую 18 регулируемые линии задержки сигнала, формирователи 19-21 импульсов управления зарядным 2, разрядным 3 и обратным 4 тиристорами соответственно, устройство 22 формирования внешней характеристики.

Источник питания работает следующим образом.

В начале очередного цикла работы инвертора (момент to, фиг. 4) на управляющий электрод зарядного тиристора 2 поступает сигнал Uy с формирователя 19. Зарядный тиристор 2 включается (эпюры U2 и 12) и происходит резонансный заряд рабочего конденсатора 5 до напряжения I Ucmi I Е (эпюра Uc). Амплитуда Demi и длительность гэ протекания тока через зарядный тиристор 2 зависят от величины Е и сопротивления нагрузки, а также от напряжения Ко на рабочем конденсаторе 5 в начале цикла.

В момент ti окончания заряда на зарядном тиристоре 2 появляется обратное напряжение U06pi I Ucmi I - Е, что фиксируется устройством 13 контроля состояния зарядного тиристора 2. По истечению заданного с помощью регулируемой линии 17 задержки времени (паузы) tn TB, где гв - номинальное время выключения зарядного

тиристора 2, в момент t2,формирователь 20 импульсов управления включает разрядный тиристор 3 (эпюры Us и з). Происходит резонансный разряд рабочего конденсатора 5 (через нагрузку). Конденсатор 5 перезаряжается до напряжения Ucm2 (напряжение на конденсаторе 5 в момент ta меняет знак). Значение амплитуды Ucm2, а также длительность Гр резонансного разряда конденсатора 5 зависят от величины Ucmi и нагрузки во время этого процесса. При номинальной нагрузке Ucm2 « I Ucmi 1-Е.

В момент t4 окончания протекания тока через разрядный тиристор 3 на нем возникает обратное напряжение U06p2 Ucm2, фиксируемое устройством 14 контроля состояния разрядного тиристора 3. По истечении некоторого промежутка времени (паузы tn тв), задаваемого с помощью регулируемой линии 18 задержки, а именно в момент ts, формирователь 21 включает обратный тиристор 4 (эпюра Ц). Начинается резонансный перезаряд конденсатора 5 через первичную обмотку трансформатора 6 (нагрузку) и обратный тиристор 4. Одновременно (по сигналу с выхода регулируемой линии 18 задержки) компаратор 16 начинает сравнивать напряжение Uc на конденсаторе 5 с опорным напряжением 1)0, задаваемым устройством 22 формирования внешней характеристики (или оператором). Когда напряжение Uc в результате резонансного перезаряда конденсатора 5 через обратный тиристор 4 упадет до Uo (т.е. по истечении

промежутка времени Тз ). компаратор 16 выдает сигнал на формирователь 19 импульсов управления зарядным тиристором 2. Последний включается (момент te, аналогичный моменту to). На обратном тиристоре

4 появляется обратное напряжение, равное выходному напряжению Е питающего выпрямителя 1, и тиристор 4 выключается. На этом цикл работы инвертора заканчивается. В результате периодического повторения циклов на вторичной обмотке трансформатора наводится переменное напряжение, которое после выпрямления с помощью двухполупериодного выпрямителя 7 подается через фильтр 8 и сбрасывающий диод 10

на сварочную дугу, создавая в ее цепи ток, пульсирующий с частотой f циклов (частотой инвертирования).

Амплитуда напряжения Ucmi, до которого заряжается конденсатор 5 в каждом

очередном цикле, зависит от уровня напряжения Uo, с которого начинается этот очередной цикл, Регулируя этот исходный уровень Uo, можно в значительных пределах изменять размах (Ucmi + Ucm2) напряжения

на обмотках трансформатора 6 и соответственно ток нагрузки (дуги). Поддержание одного и того же уровня напряжения Do на конденсаторе 5 в начальный момент его заряда уменьшает влияние нагрузки на амплитуды Ucm1 И Ucm2.

Управление током дуги, а значит, и формирование требуемой внешней характеристики возможно и традиционным путем - с помощью регулирования частоты f инвертирования за счет изменения паузы т.п. Частота f (фиг. 4) определяется выражением

f

1

Т3 + Гр + 2 tn

где Т3 Т3 + Гз и ограничивается предельной величиной f1

пред Тэ+Тр+2тв

Обратная связь по току и напряжению, осуществляемая с помощью датчиков 11 и 12, позволяет устройству 22 формирования внешней характеристики поддерживать заданный режим горения дуги за счет изменения Do. Для случая короткого замыкания дугового промежутка, при котором глубины регулирования сварочного тока таким методом может не хватить, а также случая малых обратных напряжений на разрядном тиристоре 3, когда этот метод регулирования тока становится неэффективным, в источнике может быть предусмотрена функциональная связь устройства 22 с регулируемыми линиями 17 и 18 задержки (фиг. 1, не показана) для осуществления указанного традиционного метода регулирования тока дуги частотой инвертирования за счет изменения длительности tn паузы.

Источник питания на основе инвертора (фиг. 2) работает аналогично описанному, за исключением того, что перезаряд рабочего конденсатора 5 через обратный тиристор 4 происходит через часть первичной обмотки высокочастотного трансформатора 6. Такое построение схемы позволяет сократить длительность протекания тока через обратный тиристор 4 (уменьшить Т3) и благодаря этому, увеличить предельную частоту f инвертирования.

То же относится к приведенному (фиг. 3) возможному варианту источника питания, содержащему высокочастотный трансформатор 6 без отпайки, но с дополнительной обмоткой, имеющей меньшее число витков, чем первичная.

Один из возможных вариантов реализации блока управления инвертором (фиг. 5), в верхней части которой повторена для

удобства чтения схема силовой части инвертора (устройство 22 формирования внешней характеристики не показано).

Для сокращения описания принципиальная электрическая схема генератора ГИ импульсов не раскрыта, регулируемые линии задержки условно изображены в виде регулируемых RC-цепочек. С этой же целью работа блока управления описана без учета

0 влияния стабилитрона VD9 и диодов VD10, VD11 (фиг. 5, пунктир). Функция этих элементов заключается в том, что они позволяют инвертору переходить в общеизвестный режим работы с попеременным включением

5 зарядного и разрядного тиристоров без включения обратного тиристора при малых значениях обратного напряжения на разрядном тиристоре (или амплитуды UCm2). Переход от одного режима к другому опре0 деляется параметрами стабилитронов VD9 и VD5.

Итак, после появления в момент ti (фиг. 4) обратного напряжения Uo6pi на зарядном тиристоре VS1 (что фиксируется устройст5 вом контроля его состояния, содержащим диод VD1, резистор R1 и стабилитрон VD4) на базе 2 однопереходного транзистора VT1 возникает напряжение, равное напряжению U4 стабилизации стабилитрона VD4/H30 пример, 18 В), и начинает заряжаться конденсатор С1 регулируемой RC-цепочки из резистора R4 и конденсатора С1, выполняющий функцию первой регулируемой линии задержки сигнала. Через заданное

5 время tn, равное постоянной времени этой цепочки , напряжение на С1 достигает напряжения срабатывания однопереходного транзистора VT1 и на вторичной обмотке трансформатора Т1 выходного

0 формирователя импульсов появляется сигнал управления разрядным тиристором VS2 (момент ta).

При появлении обратного напряжения Ыобр2 на разрядном тиристоре VS2 (момент

5 t4), что фиксируется устройством контроля состояния разрядного тиристора, содержащим диод VD2, резистор R2 и стабилитрон VD5, на базе 2 однопереходного транзистора VT3 возникает напряжение, равное на0 пряжению Us стабилизации VD5 (причем Us U), и начинается заряд конденсатора СЗ регулируемой RC-цепочки из резистора R6 и конденсатора СЗ, выполняющей функцию второй регулируемой линии за5 держки. Через заданное время tn, определяемое постоянной времени этой цепочки, выходной формирователь импульсов, собранный на трансформаторе ТЗ, выдает импульс управления обратным тиристором VS3 (момент ts).

На выходе параметрического стабилизатора, состоящего из резистора R13 и стабилитрона VD6 и входящего в состав устройства контроля напряжения на рабочем конденсаторе С инвертора, существует напряжение с момента гз появления на конденсаторе С (в результате его резонансного разряда через разрядный тиристор VS2) положительного напряжения (фиг. 4), К моменту Т4 достижения амплитудного значения напряжения Ucm2 (и появления обратного напряжения на разрядном тиристоре VS2) на базе 2 однопереходного транзистора VT2 существует напряжение, равное напряжению Ue стабилизации стабилитрона VD6 (причем Ue Us и равно, например, 30 В), конечно, при условии, что UCm2 Ue. Поэтому в момент t4 конденсатор С2 цепочки R5C2 начинает заряжаться. В результате его заряда через заданное параметрами этой цепочки время t tn напряжение Ua на эмиттере VT2 достигает напряжения Ue стабилизации стабилитрона VD8 (например, 12 В), причем Usy Us Uey, где у - коэффициент включения VT2 и, например, равен 0,5. Поскольку напряжение стабилизации VD6 (ЗОВ) больше значения U3/y(24 В), VT2 при этом не включается. Рабочий конденсатор С и подключенный к нему через диод VD3 конденсатор С4 в течение паузы tn медленно разряжаются током стабилизатора R13VD6. В момент t5 включения обратного тиристора VS3 рабочий конденсатор С начинает быстро разряжаться через нагрузку, а конденсатор С4 разряжается теперь не только током стабилизатора R13VD6, но и регулируемым коллекторным током транзистора VT4.

Когда напряжение на базе 2 однопереходного транзистора VT2 уменьшается до значения Ua/y (24B), т.е. через промежуток времени после включения обратного тиристора VS3, однопереходный транзистор VT2 включается и на выходной обмотке трансформатора Т2 формирователя импуль- сов управления зарядным тиристором VS1 появляется импульс управления (фиг. 4, момент te, аналогичный моменту to).

Очевидно, что длительность можно регулировать скоростью разряда конденса- тора С4, т.е. током коллектора транзистора VT4. Так видно по схеме, амплитуда коллекторного тока транзистора VT4 определяется импульсным напряжением на его базе, которое подается через разделительный трансформаторТ4 от генератора ГИ импульсов регулируемой амплитуды и устанавливается сигналом Uynp внешнего управления. Генератор ГИ синхронизируется импульсами управления зарядным VS1 и обратным VS3 тиристорами так, что транзистор VT4 включается в момент ts включения обратного тиристора VS3 и выключается в момент te включения зарядного тиристора VS1.

Изменяя скорость разряда конденсатора С4 коллекторным током транзистора VT4, можно изменять длительность промежутка времени между включением обратного VS3 и зарядного VS1 тиристоров, а значит, и тот исходный уровень напряжения Uo на рабочем конденсаторе С, при котором последний подключается через зарядный тиристор VS1 к питающему инвертор выпрямителю. Очевидно, что в зависимости от величины интервала времени , предоставляемого схемой для протекания тока через обратный тиристор VS3, значение Uo в момент включения зарядного тиристора VS1 может быть как положительным, так и отрицательным (либо равным нулю).

Генератор ГИ может быть построен по одной из общеизвестных схем генераторов импульсов регулируемой амплитуды. Реальные регулируемые линии задержки могут быть построены на базе известных схем с применением резисторных или транзисторных оптронов. Что касается устройства 22 формирования внешней характеристики (фиг. 1), то оно реализуется на основе традиционных схем аналоговых либо цифровых регуляторов.

По сравнению с известным источник питания предлагаемый обладает следующими п реимуществами:

имеет более высокий КПД за счет полезного использования избыточной энергии, запасенной в индуктивных элементах инвертора и переданной рабочему конденсатору, благодаря перезаряду рабочего конденсатора через обратный тиристор на нагрузку. При этом время, предоставляемое схемой для выключения зарядного и разрядного тиристоров, обеспечивается не зависящим от нагрузки и не меньшим номинального времени тв выключения тиристоров путем задания постоянной паузы tn 2:rB;

позволяет улучшить условия труда сварщика за счет снижения уровня шума при изменениях тока в процессе сварки и, в частности, при сварке амплитудно-модулиро- ванным током. Это достигается благодаря возможности регулирования сварочного тока при постоянной частоте инвертирования за счет изменения величины опорного напряжения U0;

позволяет изменять сварочный ток с большой скоростью (время переходного

процесса порядка нескольких циклов заряд- разряд) при неизменной частоте инвертирования;

позволяет повысить предельную частоту инвертирования и за счет этого улучшить динамические и массо-габаритные характеристики, а также снизить уровень шума, так как для выключения обратного тиристора нет необходимости следить за его состоянием и выдерживать паузу, соответствующую времени его выключения (в предлагаемом источнике обратный тиристор выключается одновременно с включением зарядного тиристора). Источник улучшает указанные характеристики также за счет дополнительного повышения предельной частоты инвертирования;

имеет более простую электрическую схему силовой части и за счет этого меньшие габариты и вес.

Источник рекомендуется использовать для осуществления сварки плавящимся электродом в защитных газах при высокой частоте модуляции тока для обеспечения мелкокапельного и струйного переноса электродного металла, а также других видов дуговой сварки - аргонодуговой, плазменной, ручной и т.д.

Формула изобретения

1. Источник питания для дуговой сварки, содержащий выпрямитель, отрицательный вывод которого через зарядный и разрядный тиристоры подключен к его положительному выводу, катод разрядного тиристора через первичную обмотку силового высокочастотного трансформатора и рабочий конденсатор - с анодом разрядного тиристора, к вторичной обмотке силового высокочастотного трансформатора со средней точкой подключен диодный двухполупе- риодный выпрямитель со средней точкой, на выходе которого включены датчики тока и напряжения дуги, выходы которых подключены к входам устройства формирования внешней характеристики источника,

параллельно зарядному и разрядному тиристорам подключены соответственно входы блоков контроля состояния зарядного и разрядного тиристоров, выходы которых соедийены через регулируемые линии задержки сигнала с входами формирователей импульсов управления разрядным и обратным тиристорами соответственно, обратный тиристор и формирователь импульсов управления зарядным тиристором, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД источника за счет передачи в нагрузку реактивной энергии коммутирующего контура инвертора и снижения уровня шума путем

обеспечения возможности изменения тока дуги в процессе сварки без регулирования рабочей частоты инвертирования, в него введены последовательно соединенные устройства контроля напряжения на рабочем

конденсаторе и компаратор, выход которого соединен с входом формирователя импульсов управления зарядным тиристором, второй и третий входы компаратора соединены соответственно с выходом второй регулируемой линии задержки и выходом устройства формирования внешней характеристики источника, входы устройства контроля напряжения на рабочем конденсаторе подключены к обкладкам

рабочего конденсатора.

2. Источник питания по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что обратный тиристор подключен параллельно в противоположном направлении разрядному тиристору.

3. Источник питания по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью улучшения динамических и массогабаритных характеристик источника питания и снижения уровня шума путем повышения предельной рабочей частоты инвертирования, первичная обмотка силового высокочастотного трансформатора выполнена с отпайкой, к которой подключен анод обратного тиристора, катод которого подключен к аноду разрядного тиристора.

Устаноёка режима и 5ы6ор Внешней характеристики источника

а

Ф1Л.1

Изобретение относится к сварочной технике, в частности к источникам питания для электродуговой сварки с повышенной частотой преобразования, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения. Цель изобретения - повышение КПД источника за счет передачи в нагрузку реактивной энергии коммутирующего контура инвертора и снижение уровня шума за счет обеспечения возможности изменения тока дуги в процессе сварки без регулирования рабочей частоты инвертирования. Для этого в источник питания для дуговой сварки, содержащий выпрямитель, силовой высокочастотный трансформатор, зарядный, разрядный и обратный тиристоры, рабочий конденсатор, диодный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, датчики тока и напряжения дуги, устройство формирования внешней характеристики источника, блоки контроля зарядного и разрядного тиристоров, две регулируемые линии задержки, формирователи импульсов управления зарядным, разрядным и обратным тиристорами, введены компаратор и блок контроля напряжения на рабочем конденсаторе. Данный источник обеспечивает струйный перенос электродного металла без разбрызгивания при сварке на режимах от 80 до 160 А, позволяет осуществлять сварку в различных пространственных положениях, легко удерживать ванну на потолочной и вертикальной плоскостях, обеспечивает хорошее формирование шва, не требует зачистки шва и околошовной зоны после сварки. Уровень шума при сварке ниже допустимых значений, определенных ГОСТом. 2 з.п. ф-лы, 5 ил. СО С vi со 00 ел N3

2

и

с 4 F1--V-I

I

Г-Ttf

U,

Фиг.2

физ.З

Фиг.

Ш

ft

С1 URB

.-, VD7r -С±Ц)Н

WU

A i:

С2

Ш

5 6

г Ф

VD12 Unum.

ff/7 W

CZ3I/D13

Unum.

с в

UU0

/3 W/7 CZJ-KM

Unum.