Устройство управления сварочным источником питания Советский патент 1992 года по МПК B23K9/10 

Изобретение относится к области сварочной техники, в частности к инверторным источникам питания для электродуговой сварки, и может найти применение в машиностроении и других отраслях промышленности.

Известно, что в состав блоков управления инверторных тиристорных источников сварочного тока входят выходные формирователи управляющих импульсов. При этом питание выходных формирователей осуществляют постоянным напряжением от выпрямительных устройств, преобразующих переменное напряжение промышленной сети, поступающее на входы питания блока управления, в заданное постоянное напряжение, подаваемое на входы питания формирователей.

При питании выходных формирователей импульсов управления тиристорами постоянным напряжением всегда существует вероятность формирования ложного управляющего импульса под действием помехи - как собственной, так и внешней.

Цель изобретения -улучшение качества сварки, увеличение удельной мощности сварочного источника, снижение уровня шума и упрощение конструкции сварочного источника.

Поставленная цель достигается тем, что устройство управления сварочным источником питания, содержащее резонансный инвертор с рабочим конденсатором и формирователи импульсов управления зарядным и разрядным тиристорами, снабже- но первым и вторым ключевыми элементами, включенными в цепь питания формирователей импульсов управления зарядным и разрядным тиристорами соответственно, причем первый управляющие вход первого ключевого элемента соединен с выходом формирователя импульсов управления зарядным тиристором, а второй и третий управляющие входы - параллельно разрядному тиристору, а управляющие входы второго ключевого элемента соединены соответственно с выходом формирователя импульсов управления разрядным тиристором и параллельно зарядному тиристору.

Упрощение конструкции сварочного источника достигается тем, что для питания устройства управления сварочным источником использован рабочий конденсатор инвертора, при этом формирователи импульсов управления и разрядным тиристорами подключены через ключевой элемент параллельно разрядному и зарядному тиристору соответственно положительным входом к катоду, а отрицательным - к аноду тиристора.

На фиг. 1 представлены функциональная схема устройства управления сварочным источником питания; на фиг. 2 - временная диаграмма работы инвертора; на фиг. 3 -принципиальная электрическая схема сварочного источника питания с устройством управления; на фиг. 4 - эпюры напряжений на различных элементах этой схемы; на фиг. 5 - упрощенная принципиальная электрическая

схема сварочного источника питания на основе двухъячейкового инвертора как пример реализации устройства для случая многоячейковых инверторов; на фиг. 6 - временная диаграмма работы такого источника.

Устройство управления (фиг. 1) содержит одноячейковый резонансный последовательный несимметричный инвертор (может быть применен любой тип резонансных инверторов), в состав которого входят

зарядный Т1 и разрядный Т2 тиристоры и рабочий конденсатор С. Питание формирователя 1 импульсов управления зарядным тиристором Т1 и формирователя 2 импульсов управления разрядным тиристором Т2 осуществляется соответственно от устройств 3 и 4 через ключевые элементы 5 и 6.

Устройство работает следующим образом.

Устройство управления обеспечивает поочередное периодическое включение зарядного Т1 и разрядного Т2 тиристоров с помощью импульсов управления, поступающих с выхода формирователей 1 и 2 на управляющие переходы тиристоров Т1 и Т2 соответственно. Формирование импульсов осуществляетя с заданной задержкой по отношению к моменту включения с помощью

ключей 5 и 6 питания формирователей 1 и 2. Моменты коммутации первого 5 и второго б ключей выбираются следующим образом.

Перед включением зарядного тиристоpa T1 ключ 6 размыкают (эпюра Un2, фиг. 2). В течение интервала т проводимости тиристора Т1 от момента ti его включения с помощью управляющего импульса до момента t2 появления на тиристоре Т1 (вследствие

резонансного заряда рабочего конденсатора С инвертора) обратного напряжения (эпюра U°6pTi) питание формирователя 2 отсутствует. Ключ 6 замыкают не ранее момента t2 появления обратного напряжения на

тиристоре Т1. На выходе формирователя 2 с некоторой задержкой времени после подачи питания появится импульс UynpT2 управления разрядным тиристором Т2. За счет соответствующего выбора величины задержки это произойдет не ранее, чем по истечении номинального времени тв выключения зарядного тиристора Т1 после появления на нем обратного напряжения, С задержкой времени по отношению к моменту подачи управляющего импульса на раз- рядный тиристор Т2 перед включением зарядного тиристора Т1 ключ 6 размыкают. На этом цикл коммутации ключа 6, т.е. цикл питания формирователя 2, заканчивается. Далее процесс повторяется с частотой ин- вертирования.

Цикл питания формирователя 1 аналогичен описанному. После замыкания ключа

5(эпюра Uni) на выходе формирователя 1 с некоторой задержкой времени появляется импульс управления зарядным тиристором Т1. После включения тиристора Т1 в заданный момент перед включением разрядного тиристора Т2 ключ 5 размыкают и замыкают снова не ранее появления на раз- рядном тиристоре Т2 обратного напряжения. На этом цикл коммутации ключа 5 заканчивается. Далее процесс повторяется

с частотой инвертирования.

Отметим, что момент размыкания ключа

6можно выбирать в любой точке открытого интервала времени между включением разрядного тиристора Т2 и включением зарядного тиристора Т1. Соответственно момент размыкания ключа 5 выбирают в любой точ- ке открытого интервала времени между включением зарядного тиристора Т1 и включением разрядного тиристора Т2 (на временных диаграммах это условно показано пунктиром).

Как видно из фиг. 2,,длительность гп паузы в питании формирователя импульсов управления разрядным (заряд й ым) тиристором превышает длительность г интервала проводимости зарядного (разрядного) т ири- стора. Поэтому собственные помехи инвертора, возникающие при включении и выключении зарядного (разрядного) тиристора, никак не могут привести к формированию незапланированного импульса управления разрядным (зарядным) тиристором. Если к тому же конец паузы выбирать не ранее момента восстановления запирающих свойств тиристоров в прямом направлении, то влияние внешних помех будет также полностью исключено.

8 сварочном источнике питания на фиг. 3 реализовано предлагаемое устройство управления. В нем источником питающего формирователи импульсов напряжения слу- жит рабочий конденсатор С1, благодаря перезаряду которого на зарядном Т1 и разрядном Т2 тиристорах периодически возникает обратное напряжение, подаваемое на входы питания соответствующих формирователей импульсов. Формирователь 1 импульсов управления зарядным тиристором Т1 подключен параллельно разрядному тиристору Т2 через диод D1, а формирователь 2 импульсов управления разрядным тиристором Т2 подключен параллельно зарядному тиристору Т1 через диод D2. Здесь выпрямительные диоды D1 и D2 играют одновременно роль ключевых элементов.

Выходной каскад формирователя 1 состоит из тиристора ТЗ и выходного трансформатора Тр1 и подсоединен параллельно накопительному конденсатору С2. Соответственно выходной каскад формирователя 2 состоит из тиристора Т4 и выходного трансформатора Тр2 и подсоединен параллельно накопительному конденсатору СЗ. Вторичная обмотка выходного трансформатора Тр1 подключена к управляющему переходу ab зарядного тиристора Т1, а вторичная обмотка трансформатора Тр2 - к управляющему переходу cd разрядного тиристора Тр2. Управляющий переход тиристора ТЗ (Т4) формирователя 1 (2) через двухбазовый диод подключен к конденсатору С4 (С5) интегрирующей цепочки.

Работа устройства управления источником ясна из приведенных на фиг. 4 эпюр напряжения, где эпюра а иллюстрирует помехи, возникающие в моменты включения и выключения зарядного Т1 и разрядного Т2 тиристоров; эпюра б - напряжение на рабочем конденсаторе С1, эпюра в, г - обратные напряжения U Рт2 и U°6pTi соответственно на разрядном Т2 и зарядном Т1 тиристорах; эпюры д, е - напряжения на конденсаторах С2 и СЗ соответственно; эпюры ж, з - напряжения на конденсаторах С4 и С5 соответственно; эпюры и, к - напряжения на выходных клеммах формирователей 1 и 2 (импульсы управления тиристорами Т1 и Т2) соответственно.

Использование устройства возможно и в сварочных источниках на основе многоячейковых инверторов. В приведенном на фиг. 5устройствеуправг ния сварочным источником на основе двухьячейкового инвертора формирователь 1 импульсов управления зарядным тиристором ТЗ второй ячейки запитан обратным напряжением Un3 на зарядном тиристоре Т1 первой ячейки, формирователь 2 импульсов управления разрядным тиристором Т2 первой ячейки запитан обратным напряжением Un2 на зарядном тиристоре ТЗ второй ячейки, формирователь 3 импульсов управления разрядным тиристором Т4 второй ячейки запитан обратным напряжением Un4 на разрядном тиристоре Т2 первой ячейки и формирователь 4 импульсов управления зарядным тиристором Т1 первой ячейки запитан обратным напряжением Uni на разрядном тиристоре Т4 второй ячейки.

Отличительная особенность устройства управления сварочным источником питания на базе многоячейкового инвертора заключается в режиме коммутации цепей питания формирователей импульсов управления ти- ристорами. В этом случае для устойчивой работы инвертора минимально возможная величина паузы в питании формирователей должна превышать сумму длительности г интервала проводимости тиристора и его номинального времени гв выключения. Это объясняется тем, что при наличии нескольких ячеек в течение опасного для каждого тиристора интервала времени - от момента появления обратного напряжения на нем до восстановления его запирающих свойств, когда возможно его включение от помехи, - происходит коммутация тиристоров других ячеек, т.е. существуют мощные собственные помехи инвертора, что в одноячейковых ин- верторах исключено. Поэтому отсутствие питания формирователей на этом интервале является необходимым условием устойчивой работы инвертора.

На временной диаграмме, фиг. 6, видно, что напряжение питания, например, Un2 формирователя импульсов управления разрядным тиристором Т2 первой ячейки отсутствует на интервале т проводимости зарядного тиристора Т1 этой ячейки и в течение его номинального времени тв выключения. То же относится к соответственным парам тиристоров и формирователей импульсов управления каждой ячейки.

Устройство управления сварочным источ- ником питания позволяет полностью исключить влияние собственных коммутационных помех инвертора на работу формирователей импульсов за счет периодического отключения питания соответствующих формирователей на определенных временных интервалах, в пределах которых существует опасность одновременного включения зарядного и разрядного тиристоров одной и той же ячейки в результате действия помехи. Благодаря этому появляется возможность увеличить предельную частоту инвертирования до максимально возможной для данного номинального времени выключения тиристора, повысить максимальные значения коммутируемых токов и напряже- ний. В результате улучшается качество сварного соединения за счет благоприятного изменения процессов кристаллизации ванны при сварке на высоких рабочих частотах, увеличивается удельная мощность сварного источника и улучшается его массо- габаритные характеристики, снижается уровень шума за счет работы в области частот, не слышимых человеком.

Устройство может быть применено в системах управления сварочными источниками питания на основе резонансных последовательных или параллельных инверторов без обратных диодов, а также в тиристорных преобразователях другого назначения.

Изготовлены и испытаны лабораторные образцы сварочных источников питания на базе одноячейковых резонансных последовательных инверторов для аргонодуговой сварки в непрерывном и импульсном режимах на номинальные токи 160 и 315 А (при ). Частота преобразования 10 кГц, Габаритные размеры лабораторных источников 480 х 200 х 420 мм, масса 28 кг. Первый из упомянутых источников построен с принудительным воздушным охлаждением, второй - с водяным. Источники выполнены на элементной базе отечественного производства. Удельные характеристики, приведенные к , для источника на номинальный ток 160 А, следующие: ток 9,5 А/кг, мощность 0,17 кВА/кг; для источника на номинальный ток 315 А соответственно 18,7 А/кг и 0,4 кВА/кг.

Технологические испытания по наплавке стали ВНС-17толщиной4,5мм показали, что по сравнению с серийным источником ВСВУ-315 разработанные источники обеспечивают увеличение глубины провара на 30-40% и уменьшение ширины шва на 10- 15% при высоком качестве шва. Измерения шума на рабочем месте оператора показали, что шум не превышает допустимых значений.

Формула изобретения

1. Устройство управлений сварочным источником питания, содержащее резонансный инвертор с рабочим конденсатором и формирователи импульсов управления зарядным и разрядным тиристорами, отличающееся тем, что, с целью улучшения качества сварки, увеличения удельной мощности источника и снижения уровня шума за счет исключения влияния собственных коммутационных помех инвертора, оно снабжено первым и вторым ключевыми элементами, включенными в цепь питания формирователей импульсов управления зарядным и разрядным тиристорами соответственно, причем первый

управляющий вход первого ключевого элемента соединен с выходом формирователя импульсов управления зарядным тиристором, а второй и третий управляющие входы - параллельно разрядному тиристору, а управляющие входы второго ключевого элемента соединены соответственно с выходом формирователя импульсов управления разрядным тиристором и параллельно зарядному тиристору.

0

2. Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что, с целью упрощения конструкции, рабочий конденсатор инвертора включен в цепь питания формирователей импульсов управления зарядным и разрядным тиристорами, которые соответственно подключены через ключевые элементы параллельно разрядному и зарядному тиристорам положительным входом к катоду, а отрицательным - к аноду тиристоров.

Использования: в инверторных тири- сторных источниках для электродуговой сварки и при проектировании их систем управления. Сущность изобретения: для питания формирователей 1 и 2 импульсов управления тиристорами сварочного источника питания, построенного на базе резонансного инвертора, напряжение питания от выпрямителей 3 и 4 подается в виде импульсов с помощью ключей 5 и 6. При этом начало паузы напряжения питания формирователя импульсов управления разрядным (зарядным) тиристором обеспечивают до момента включения зарядного (разрядного) тиристора, а конец - не ранее появления на нем обратного напряжения, возникающего вследствие резонансного заряда (разряда) рабочего конденсатора инвертора. Для упрощения системы управления тиристорами питание формирователя импульсов управления разрядным (зарядным) тиристором осуществляется обратным напряжением на зарядном (разрядном) тиристоре. 1 з.п.ф-лы, 6 ил. -ч & VI 4 СЛ СЛ ся

У77Л1

(/

„

Y//////A

У77Я

Х///Л

//////Л

Щи г. I

c/no/JfrroSbiu импульс

I

и

Ч 3

ч

Щи г 6