Источник питания для стыковой сварки оплавлением Советский патент 1992 года по МПК B23K11/04 B23K11/24 

Изобретение относится к сварке металлов и может быть использовано в машинах для стыковой сварки непрерывным оплавлением изделий с большим поперечным сечением.

Известны машины для стыковой сварки оплавлением, содержащие мостовые инверторы на тиристорах, в диагонали которых включены сварочные трансформаторы. К ним относится, например, известная машина для стыковой сварки оплавлением. Инвертор с искусственной коммутацией тиристоров, входящий в состав этой машины, позволяет получить напряжение прямоугольной формы на свариваемых изделиях, что обеспечивает устойчивость процесса оплавления и высокое качество сварки. Существенным недостатком данной машины являются ее повышенные массогабаритные характеристики, связанные с наличием в машине аккумуляторного устройства, состоящего из батарей электрохимических аккумуляторов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является мостовой инвертор с искусственной коммутацией тиристоров, который принят за прототип. Этот инвертор содержит основные и коммутирующие тиристоры обратные диоды, последовательно с каждым из которых включен резистор, конденсатора и дроссели, формирующие коммутирующий импульс напряжения (коммутирующие емкости и коммутирующие индуктивности), токоограничивающие индуктивности, снижающие скорость роста тока (-j-) в основных и коммутирующих тиристорах при их включении и тока короткого замыкания при опрокидывании инвертора. Недостатком такого инвертора является существенный нагрев коммутирующих дросселей вследствие значительных потерь энергии в них Это приводит к повышению температуры нагрева в шкафу, где установлено коммутацион- bv/е оборудование инвертора, что

(/

С

XI

XI

О

сл ю

отрицательно сказывается на надежности его работы, а также сокращает срок службы. Другим недостатком этого мостового инвертора являются большие аварийные токи при его опрокидывании. Для их ограничения в инверторе, принятом за прототип, установлены токоограничивающие дроссели. Однако в ряде случаев они не могут ограничивать амплитуду тока до требуемой величины, поскольку индуктивность токоограничиваю- щих дросселей, является составной частью сопротивления сварочной цепи, влияет на устойчивость процесса оплавления, причем с увеличением этого сопротивления устойчивость оплавления уменьшается.

В книге Контактная стыковая сварка трубопроводов под редакцией С.И.Кучука- Яцепко, (Киев: Наукова думка, 1986, 206 стр.) на с.29 даны допустимые значения сопротивлений сварочной цепи при сварке труб различных диаметров и толщин, обеспечивающих устойчивый процесс оплавления. В связи с этим -величины токоограничивающих индуктивностей должны выбираться с учетом указанных значений и не всегда могут обеспечить требуемое ограничение скорости роста тока в тиристорах.

Целью изобретения является повышение надежности работы сварочной машины за счет снижения температуры нагрева коммутирующих дросселей, снижение токов короткого замыкания через коммутирующие тиристоры при опрокидывании инвертора и исключение перенапряжений на них.

Эта цель достигается тем, что в источнике питания для стыковой сварки оплавлением, содержащим источник постоянного напряжения, сварочный трансформатор, включенный в диагональ мостового инвертора, состоящего из основных и коммутирующих тиристоров, обратных диодов, подключенных к источнику постоянного напряжений через резисторы, токоограничивающих и коммутирующих дросселей, двух коммутирующих емкостей, инвертор снабжен коммутирующими дросселями, включенными последовательно с коммутирующими тиристорами инвертора, причем дроссели в этих цепочках, подключенных к одноименным полюсам инвертора, встречно магнитосвязаны, Кроме того магнитосвя- занные коммутирующие дроссели выполнены в виде винтовой двухходовой обмотки, каждый ход которой соответствует одной коммутирующей индуктивности.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый инвертор отличается тем, что коммутирующие дроссели включены последовательно с коммутирующими тиристорами, причем дроссели в этих цепочках, подключенных к одноименным полюсам инвертора встречно магнитосвязаны.

Исследования информации об электрических схемах инверторов показывают, что отсутствуют инверторы с указанным подключением магнитосвязанных индуктивностей.

0 Указанное построение электрической схемы инвертора обеспечивает снижение нагрева коммутирующих дросселей благодаря уменьшению времени, в течение которого по ним протекает ток.

5 Кроме того коммутирующие дроссели, установленные последовательно с коммутирующими тиристорами снижают токи короткого замыкания через них при опрокидывании инвертора. Встречное

0 включение коммутирующих индуктивностей обеспечивает исключение перенапряжений на закрытых коммутирующих тиристорах в процессе коммутации основных тиристоров.

5 На фиг.1 приведена принципиальная схема мостового инвертора, входящего в состав машины для стыковой сварки оплавлением; на фиг.2 дана форма коммутирующего тока; на фиг.З - конструкция

0 магнитосвязанных коммутирующих дросселей,

Из фиг.1 следует, что к источнику питания 1 через токоограничивающие дроссели 2,3 подсоединены основные тиристоры 4,5,

5 6, 7, коммутирующие тиристоры 8, 9, 10, 11. При этом последовательно с коммутирующим тиристором 8 соединен коммутирующий дроссель 12, выводы которого обозначены А и В, с тиристором 9 - дрос0 сель 13, с тиристором 10 - дроссельЙ выводы которого обозначены С и D, с тиристором 11 -дроссель 15, дроссели 12 и 14, а также 13 и 15 встречно магнитосвязаны.

5Коммутация тиристоров 4, 5 осуществляется благодаря разряду коммутирующей емкости 16, тиристоров б, 7 - емкости 17. Обратные диоды 18, 19, 20, 21 включены последовательно с ре.зисторами 22, 23, 24,

0 25, общие точки резисторов 22, 24 и 23, 25 подсоединены к источнику. В диагональ моста включен сварочный трансформатор 26. Инвертор работает следующим образом. Основные тиристоры отпираются поо5 чередно парами 5. 6 и 4, 7 и формируют переменное напряжение прямоугольной формы на нагрузке. Коммутация тока основных тиристоров обеспечивается коммутирующими тиристорами 8, 9,10,11 в сочетании с коммутирующими емкостями 16,17идросселями 12, 13, 14. 15, которые формируют коммутирующий импульс напряжения. Тиристор 8 отпирается для коммутации тиристора 4, тиристор 9 для коммутации 5,10 для 6, 11 для 7. Поскольку нагрузка сварочной машины имеет активно-индуктивный характер, для возвращения энергии в источник питания в течение определенного времени каждого полупериода работы инвертора служат обратные диоды 18, 19, 20,21.

Обычно для снижения потерь энергии и температуры нагрева дросселей, снижают величину их активного сопротивления путем увеличения площади сечения проводов, из которых они выполнены. Однако в комму- тирующих дросселях, обычно представляющих собой однослойные обмотки из медного провода, увеличение сечения проводов может привести не к снижению, а даже к увеличению активного сопротивле- ния вследствие сильного проявления поверхностного эффекта в них. Пример, поясняющий этот эффект дан в книге И. Ламмеранера, М. Штафля Вихревые токи, М-Л: Энергия, 1967 г, с.90-99.

Сильное проявление поверхностного эффекта в коммутирующих дросселях связа: но с импульсным характером тока в них. Рассмотрим особенности расчета потерь в коммутирующих дросселях и влияние гео- метрических размеров проводов, из которых они выполнены, на степень проявления поверхностного эффекта и потери в них. Импульс коммутирующего тока 27 на фиг.2 имеет форму, близкую к полупериоду сину- соиды. Длительность импульса составляет ТИмп 150-200 мк сек. Потери в дросселе можно рассчитать либо путем суммирования потерь, созданных гармоническими составляющими периодического тока 27, показанного на фиг.2, либо воспользоваться приближенным методом, в соответствии с которым следует рассмотреть периодический ток 28 на фиг.2 с эквивалентной часто1

той Тэкв

2 Т,

имп

Потери, полученные для непрерывного периодического тока 28, следует умножить

2 Тимп

на долю времени , в течение которого в коммутирующем дросселе протекает ток за период Т. Этот широко используемый метод изложен в книге Л.В.Лейтеса Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов, М.: Энергия, 1981, с.164-165. Эквивалентная частота коммутирующего тока в инверторе, принятом за прототип, составляет 2000-3000 Гц.

Известно, что сопротивпение дроссолч переменному току R растет с увеличением частоты (И.Ламмеранер, М.Штафль Вихревые токи, М-Л: Энергия, 1967 г, с.90-99) Для количественной оценки этого явления удобно представить это сопротивление в виде

R RO Кд.п.,

где RO - сопротивление дросселя постоянному току;

Кд.п. - коэффициент добавочных потерь. возникающих за счет протекания в дросселе вихревых токов.

Коэффициент добавочных потерь зависит от геометрических размеров дроссспя, частоты тока f, протекающего в нем, магнитной проницаемости/г и удельной электрической проводимости материала провода.

Количественная оценка поверхностного эффекта проводится на примере уединенного провода кругового сечения.В книге Л.Р.Неймана, К.С.Демирчяна Теоретические основы электротехники, т.2, М.: Энергия, 1969 г., с.386 показано, что при

V 0)1

2

г - радиус провода кругового сечения; w 2jrf;

R

Кд п -в- составляет уже более двух, то Ко

есть сопротивление переменному току более чем в два раза превышает сопротивление постоянному току.

При f 2000-3000 Гц параметр к - 2 для медного провода, у которого радиус составляет 5-6 мм. Эффект увеличения сопротивления переменному току по сравнению с сопротивлением постоянному току для однослойных обмоток еще существеннее, чем для уединенного провода. Проведенные опыты показали, что увеличение площади сечения провода, из которого выполнены коммутирующие дроссели, не обеспечивают требуемые температурные режимы их работы. Установка коммутирующих дросселей последовательно с коммутирующими тиристорами обеспечивают уменьшение времени, в течение которого протекает ток по дросселям, что снижает потери в них и температуру нагрева.

Однако при этом появляются перенапряжения на коммутирующих тиристорах во время коммутации основных. Например при включении тиристоров 8, 11, обеспечивающих коммутацию основных тиристоров 4, 7, на закрытых коммутирующих тиристорах 9, 10 появляется скачок напряжения, связан- el IK

ный со скачком напряжения UL -Lnна

d t

коммутирующих дросселях 12, 15. Величина может в несколько раз превышать напряжение Ed на входе инвертора,

L« - индуктивность коммутирующего дросселя;

IK - ток коммутации.

С целью снижения этого скачка в предлагаемом изобретении дроссели 12 и 14, а также 13, и 15 встречно магнитосвязаны. При этом скачок напряжения на закрытых коммутирующих тиристорах составляет UL

d k м d i.. (л и Ail

dt

- M

U (1 - K)

где

K dt dt М-взаимная индуктивность дросселей 12 и 14 или 13 и 15;

К -г- - коэффициент связи этих дросLK

селей.

При обеспечении коэффициента связи, близким к единице, перенапряжение на тиристорах 9 и 10 практически отсутствует. Такое значение коэффициента связи может быть достигнуто путем выполнения магни- тосвязанных индуктивностей в виде трансформатора с коэффициентом трансформации, равным 1. Однако трансформатор имеет нелинейную зависимость напряжения от тока, что может отрицательно сказаться на работе инвертора, поэтому такое решение, а также конструкция обмоток со сталью е данной работе не рассматривается.

Максимальная магнитная связь между коммутирующими дросселями К - max, при которой предлагаемое решение будет наиболее эффективным, обеспечивается за счет близкого расположения витков магни- тосвязанных коммутирующих реакторов. В связи с этим магнитосвязанные дроссели предлагается выполнить в виде винтовой двухходовой обмотки, каждый ход которой соответствует одной коммутирующей индуктивности. На фиг.З дано осевое сечение такой обмотки, причем обмотка с выводами а, Ь соответствует одному, а с, другому коммутирующему дросселю. Опи- санио такой обмотки дано в книге Г.Н.Петрова Электрические машины, М.: Энергия, 1974, ч.1, с.98.

Коэффициент связи таких катушек зависит от их геометрических размеров. Например, если катушки выполнены из провода квадратного сечения, при плотной намотке проводов коэффициент связи может составит до 0,5 (П.Л.Калантаров, Л.А.Цейтлин Расчет индуктивностей, Л.: Энергоато- миздат, 1986, с,311.312), Следовательно установка таких магнитосвязанных дросселей позволяет в два раза снизить скачок напря

жения на коммутирующих тиристорах и исключить перенапряжение на них.

При аварийном режиме работы инвертора, когда одновременно включены комму5 тирующие тиристоры 8, 9 или 10, 11 скорость нарастания тока короткого замыкания ограничивается не только индуктив- ностями 2, 3 как в прототипе, но и коммутирующими дросселями 12, 13 или 14,

10 15. Отметим, что в нормальном режиме работы инвертора эти индуктивности входят в сопротивление сварочной цепи лишь на интервалах коммутации (приблизительно 0,1 Т при частоте работы инвертора 50 Гц) и не

15 влияют на режим оплавления деталей. Если одновременно в ключены все четыре коммутирующих тиристора, то аварийный ток в них дополнительно по сравнению с прототипом ограничен величи20 ной Ц1-К).

Предложенная схема инвертора имеет следующие преимущества: снижение потерь нагрева коммутирующих индуктивностей и температуры воздуха в шкафу, где

25 установлено коммутационное оборудование, снижение перенапряжений на коммутирующих тиристорах и токов в коммутирующих тиристорах при опрокидывании инвертора.

30 Это существенно повышает надежность работы инвертора и сварочной машины в целом.

Формула изобретения

1. Источник питания для стыковой свар35 ки оплавлением, содержащий источник постоянного напряжения, сварочный трансформатор, включенный в диагональ мостового инвертора, состоящего из основных и коммутирующих тиристоров, обрат40 ных диодов, подключенных к источнику постоянного напряжения через резисторы, токоограничивающих и коммутирующих емкостей, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы за

45 счет снижения температуры нагрева коммутирующих дросселей, исключения перенапряжений на коммутирующих тиристорах и снижения аварийных токов в них при опрокидывании мостового инвертора, коммути50 рующиедросселивключены

последовательно с коммутирующими тиристорами инвертора, причем дроссели в этих цепочках, подключенных к одноименным полюсам инвертора, встречно магнитосвязаны.

55 2, Источник по п.1, отличающий- с я тем, что магнитосвязанные коммутирующие дроссели выполнены в виде винтовой двухходовой обмотки, каждый ход которой соответствует одной коммутирующей индуктивности.

Ј : i

/4

10

il

Изобретение может быть использовано при соединении металлов в машинах для стыковой сварки непрерывным оплавлением. В источнике питания для стыковой сварки оплавлением инвертор снабжен коммутирующими дросселями, включенными последовательно с коммутирующими тиристорами инвертора Дроссели в этих цепочках, подключенных к одноименным полюсам инвертора, встречно магнитосвя- заны. Кроме того магнитосвязанные коммутирующие дроссели выполнены в виде винтовой двухходовой обмотки, каждый ход которой соответствует одной коммутирующей индуктивности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

м

CPui. 1

27

Фиг. 2