Устройство для дуговой сварки Советский патент 1993 года по МПК B23K9/00 B23K9/06 

и конденсаторы соединены с электродом оптотиристора, другой электрод которого подсоединен к средней точке вторичной обмотки, а светодиод оптотиристора расположен в диагонали, соединяющей одноименные электроды диодного моста, другая диагональ которого соединена.с одной стороны со средней точкой вторичной обмотки, а с Другой - через токоограничива- ющий элемент с RC-фазосдвигающей цепочкой, закорачивающей вторичную обмотку.

Благодаря такому включению зарядных и разрядных цепочек, а также благодаря наличию в разрядных цепочках дросселя и (или) резистора, обеспечиваются и повышенное напряжение на дуговом промежутке для улучшения начального и повторного (в начале каждого полупериода выпрямленного напряжения) зажигания дуги, и токовое заполнение промежутков между этими полупериодами, причем, если силовые тиристоры закрыты даже полностью, то сварочный ток за весь полупериод не падает ниже предельно допустимого тока дуги, а также ограничивается скорость нарастания и величина сварочного тока при разряде конденсаторов. Это дало возможность заменить всило- вой цепи диоды на тиристоры и осуществить плавное регулирование режима сварки. Наличие тиристоров в сварочной цепи дает принципиальную возможность расширить технологические свойства установки: осуществить плавное регулирование режима сварки и модуляцию сварочного тока, горячий старт при сварке плавящимся электродом, холодный старт при сварке неплавящимся электродом и пр.

На фиг. 1 дана принципиальная электрическая схема устройства с закороченной вторичной обмоткой зарядными цепочками; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема устройства с закороченными полуобмотками зарядными цепочками; на фиг. 3 - принципиальная электрическая схема устройства с общим дросселем в разрядных цепочках; на фиг. 4 - принципиальная электрическая схема устройства с общим резистором и дросселем в разрядных цепочках; на фиг. 5 принципиальная электрическая схема устройства с общим резистором в разрядной цепи; на фиг. 6 - принципиальная электрическая схема с реализованным блоком управления устройства; на фиг. 7 - эпюры тока при включении устройства на активную нагрузку; на фиг. 8 - внешние вольт-амперные характеристики устройства. . . .;. .Устройства на фиг. 1 и 2 содержат трансформатор 1 с двумя полуобмотками 2

и 3 вторичной обмотки А, силовые тиристоры 5 и 6 в свободных концах полуобмоток 2 и 3, дуговой промежуток 7, подключенный к общей точке полуобмоток 2 и 3 и общей

точке силовых тиристоров 5 и 6, первую зарядную цепочку с конденсатором 8 и диодом 9, вторую зарядную цепочку с диодом 10 и конденсатором 11, первую разрядную цепочку с диодом 12 и дросселем 13 вторую

0 разрядную цеп очку с диодом 14и дросселем 15, а также блок управления 16 силовыми тиристорами 5 и 6.

Устройство на фиг. 3 содержит в разрядных цепочках один общий дроссель 13.

5 Устройство на фиг. 4 содержит в разрядных цепочках один общий дроссель 13 и один общий резистор 17.

Устройство на фиг. 5 содержит общий резистор 17.

0 Устройство на фиг. 6 содержит все элементы, например, схемы фиг. 4, а также цепочку, состоящую из диода 18, конденсатора 19, резистора 20, конденсатора 21, резистора 22, диода 23, соединяющую

.5 управляющие электроды силовых тиристоров 5 и 6, оптотиристор 24, соединяющий общую точку конденсаторов 19и21 и общую точку полуобмоток 2 и 3, светодиод 25 оптотиристора 24, расположенного в диагонали

0 диодного моста 26 ... 29, другая диагональ

моста 26 ..; 29 соединена, с одной стороны

- с общей точкой полуобмоток 2 и 3, а с

другой стороны через токоограничивающий

элемент 30 - к цепочке, состоящей из кон5 денсатора 3.1, нерегулируемого резистора 32 и регулируемого резистора 30.

Устройство на фиг. 1 работает следующим образом. Для объяснения работы схемы фиг, 1 привлечем эпюры тока дуги фиг. 7

0 при включении предлагаемого устройства на активную нагрузку, а также статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) предлагаемого устройства - фиг. 8.

На фиг. 7 приняты обозначения: И 5 максимальный ток дуги, создаваемый за счет полуобмоток 2-й 3 при полностью открытых тиристорах 5 и б при условии, что зарядные конденсаторы отключены; г - ток зарядки и разрядки конденсаторов заряд.0 ных цепочек; з суммарный максимальный ток дуги, создаваемый за счет тока от полуобмоток и тока зарядки и разрядки конден- саторов зарядных цепочек; U минимальный ток дуги, создаваемый за счет

5 полуобмоток 2 и 3 при полностью закрытых тиристорах 5 и 6 при условии, что зарядные конденсаторы отключены; Is - суммарный минимальный ток дуги, создаваемый за счет тока от полуобмоток и тока зарядки и разрядки конденсаторов зарядных цепочек;

1д,т1п минимальный ток через дуговой промежуток, при котором дуга существует как процесс. Величина этого тока должна составлять не менее 5 ... 10 А. Как видно из фиг, 7, паузы между полупериодами тока от полуобмоток 2 и 3 полностью заполнены током разряда конденсаторов 8 и 11.

На фиг. 8 представлены статистические вольт-амперные характеристики (ВАХ) предлагаемого устройства. Здесь обозначено: Ua f04) - начальный участок ВАХ устройства, полученный от разряда конденсаторов 8 и 11 (тонкой линией продлена эта характеристика до пересечения е осью абсцисс - минимальный ток дуги, который должны обеспечивать эти конденсаторы и который должен быть не менее 5 ... 10 А); Уз f(is) - участок ВАХ, полученный при полностью закрытых тиристорах 5 и 3 (сварка идет от полуобмоток 2 и 3 через разрядные цепочки); Ui f(i3)- участок ВАХ, полученный при полностью открытых тиристорах 5 и 6. Прямая а-b соединяет точки минимального и максимального рабочих режимов ВАХ устройства.

Рассмотрим два крайних режима. В первом режиме силовые тиристоры 5 и 6 пусть будут полностью открыты. При поступлении напряжения положительной полярности в начало вторичной обмотки 4 (обозначено точкой) откроется тиристор б и к дуговому промежутку 7 приложится полусинусоида положительной полярности на электроде от полуобмотки 3 и через дуговой промежуток должен бы потечь ток И, как изображено на фиг. 7 (при условии, что конденсаторы 8 и 11 как бы отключены). Но на ток от полуобмотки 3 будет накладываться ток J2 разряда конденсатора 8 - фиг, 7, эпюра h. В описываемый полупериод конденсатор 8 зарядится через диод 9 до амплитудного значения напряжения обмотки 4. С уменьшением величины полуволны положительного напрях ения в начале обмотки 4 конденсатор 8 начнет разряжаться через диод 14, дроссель 15, дуговой промежуток 7, полуобмотку 2 сначала медленно и максимального значения ток разрядки достигнет в момент прохождения напряжения полуобмотки 3 через ноль, т.е. в момент закрытия тиристора 6 (см. фиг. 7, эпюра 12). Ток 12 разряда конденсатора 8 через дуговой промежуток 7 будет продолжаться некоторое время и после открытия в следующий полупериод тиристора 5, заполняя током промежуток между полусинусоидами сварочного тока (см. эпюру 1з результирующего тока фиг. 7). Время разрядки конденсатора 8 будет определяться величинами емкости

конденсатора 8 и индуктивности дросселя 15.

В следующий полупериод в начало обмотки 4 придет отрицательная полуволна 5 напряжения, откроется тиристор 5, через дуговой промежуток 7 пойдет ток следующей полуволны, а конденсатор 11 будет заряжаться черед диод 10 до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки 4.

0 При окончании этой полуволны напряжения разряд конденсатора 11 создаст максимальный ток при переходе напряжения полуобмотки через нуль, поддерживая ток через дуговой промежуток 7. Следует отметить,

5 что к дуговому промежутку 7 в нулевые значения напряжения полуобмоток 1 и 2 прикладывается от конденсаторов 8 и 11 удвоенное напряжение этих полуобмоток, способствуя надежному повторному зажи0 ганию дуги в нулевые значения напряжения. Внешняя статистическая вольт-амперная характеристика устройства при полностью открытых тиристорах 5 и 6 изображена на фиг. 8 (характеристика Ui f(fa). При этом

5 устройство обеспечит максимальный режим нагрузки - смотри точку Ь на характеристике Ui f(is).

В другом режиме тиристоры 5 и 6 будут полностью закрыты. В этом случае при по0 ступлении положительной полуволны напряжения в начало обмотки 4 к дуговому промежутку 7 прикладывается напряжение полуобмотки 3 через диоды 9 и 14, дроссель 15 и провод от средней точки обмотки 4.

5 Через дуговой промежуток 7 должен бы потечь ток Ц, как изображено на фиг, 7, эпюра 14. Внешняя статистическая характеристика установки в этом случае была бы Ua f(U) - фиг. 8. Но на ток Ц от полуобмотки 3 будет

0 накладываться ток 12 разряда конденсатора 8 (см. фиг. 7, эпюра la). Конденсатор 8 через диод 9 заряжается до амплитудного значения напряжения обмотки 4. Как только пол- уволна положительного напряжения в

5 начале обмотки 4 начнет уменьшаться, конденсатор 8 начнет дополнительно к полуобмотке 3 подпитывать током дугу, т.е. через дуговой промежуток пойдет результирующий ток - эпюра is, фиг. 7. Разряд конденса0 тора 8 будет происходить по цепи: конденсатор 8, нижняя пластина которого зарядилась отрицательно- диод 14 -дроссель 15 - дуговой промежуток 7 - полуобмотка 2 - конденсатор 8. Внешняя

5 вольт-амперная статистическая характеристика в этом случае будет Us f(ls). Ток г разряда конденсатора 8 должен поддерживать горение дуги определенное время. Это время зависит от многих факторов: от вели- чины сварочного тока, величины напряже

ния холостого хода источника, состояния плазмообразующего газа, состава электродной проволоки и обмазки электрода. Как показано в работе (3) длительность полочек тока, при сварке плавящимся электродом может достигать ... с. Из этого условия рассчитываются величины емкости конденсаторов 8 и 11 зарядных цепей и индуктивности дросселей 1.3 и 15, т.е. энергии, запасенной в конденсаторах в предыдущем полупериоде, должно быть достаточно что бы поддерживать горение дуги в течение 10 ... 10 с. Без наличия индуктивного или активного сопротивления в цепи разряда конденсаторов 8 и 11 ток их разряда достигает больших величин и длится очень малое время. Поэтому, как отмечалось выше, отсутствие дросселя или резистора в разрядной цепи конденсаторов 8 и 11 приводит к нарушению процесса сварки. При полностью закрытых тиристорах 5 и 6 устройство будет иметь крутопадающую вольт-амперную характеристику: характеристика Us - f(is) фиг. 8. При этом будет обеспечиваться минимальный режим нагрузок: точка а на этой кривой. Точки а и b на фиг. 8 соединяют весь диапазон рабочих режимов устройства.

Аналогично работает устройство фиг. 2. Здесь конденсаторы 8 и 11 заряжаются до величины амплитудного значения напряжения полуобмоток 2 и 3, а поэтому в момент перехода напряжения полуобмоток 2 и 3 через нуль конденсаторы 8 и 11 поддерживают горение дуги. Дроссель активно работает при изменяющихся во времени величинах тока. Возможно выполнение устройства с одним общим дросселем (фиг. 3) в разрядных цепях устройства. В нашем случае через дроссель протекает изменяющийся во времени ток, но в каждые полупериоды в одном и том же направлении. Поэтому, чтобы он не насыщался, необходимо его выполнять с зазором. Дроссель 13 ограничивает скорость нарастания и величину тока разряда конденсаторов 8 и 11. В некоторых случаях возможна замена дросселя 13 резистором 17 - см. фиг. 5. Это целесообразно при маломощных устройствах. Тогда мощность, выделяемая на резисторе 17, будет небольшая, а его масса будет значительно меньше массы дросселя, изготовленного для той же цели: ограничить величину и скорость нарастания этого тока.

Наиболее рационально выполнение устройства с резистором и дросселем в разрядных цепях (фи.г. 4 и 6). В этом случае дроссель ограничит скорость нарастания разрядного тока, а резистор - его величину. Следует отметить, что дроссель и резистор

стоят в цепи маломощного источника, а поэтому их номиналы и габариты сравнительно малые и существенного влияния на общие габариты и массу устройства не окажут. Величины индуктивности дросселя 13 и сопротивления резистора рассчитываются с тем условием, чтобы при полностью закрытых тиристорах 5 и 6 поддерживать от полуобмоток 2 и 3 минимально допустимый

0 ток дуги (см, фиг. 7, эпюра U).

На фиг. 6 представлено устройство с конкретным исполнением блока управления его силовыми тиристорами 5 и 6. Характерной особенностью данной схемы

5 является симметричность угла открытия тиристоров, а также подача на управляемые электроды не кратковременных импульсов управления, а полусинусоид, что особенно важно для надежного открытия тиристоров

0 при работе в импульсных режимах.

Устройство на фиг. 6 работает следующим образом.

При подаче напряжения на вторичную обмотку 4 положительной полярности в на5 чало обмотки 4 конденсатор 31 начнет заряжаться от этой обмотки через резисторы 32 и 33, а также через резистор 30 и диодный мост 26 ... 29, в диагональ которого включен светодиод 25 оптотиристорэ 24, при откры0 тип которого пойдет ток по цепи: оптотири- стор 24 - конденсатор 21 - диод 23 - управляемый электрод тиристора 6 (так как в этот момент к его катоду приложено напряжение отрицательной полярности)- по5 луобмотка 3 - оптотириетор 24. В следующий полупериод оптотириетор 24 от- кроет тиристор 5, так как к его катоду будет приложено напряжение отрицательной полярности.

0 Задавая различные режимы работы оптотиристора 24 (фиг. 6), возможно получить от. предлагаемого устройства плавное регулирование сварочного тока, модуляцию сварочного тока, горячий и холодный

5 старты и npi, т.е. значительно расширить сварочно-технологические свойства устройства.

Отсутствие токовых полочек, плавное регулирование режима сварки, широкие

0 сварочно-технологические возможности устройства - все это улучшает качество сварки от предлагаемого устройства. Такое соединение зарядных и разрядных цепочек, как. описано в предлагаемом устройстве, позво5 лило совместить на одних и тех же полуобмотках вторичной обмотки трансформатора фактически два источника питания с разным наклоном ВАХ: с крутопадающей и полого падающей характеристиками. Источник пи- тания с крутопадающей характеристикой

имеет удвоенное или учетверенное напряжение полуобмоток и поддерживает стабильное горение дуги. Наличие токорграничивающих элементов в цепи разряда конденсаторов 8 и 11 позволило сравнительно малой величиной их емкости полностью заполнить опасный для стабильности процесса сварки промежуток между полусинусоидами сварочного тока, а также избежать крутых фронтов тока, что неприемлемо и для конденсаторов и для стабильности процесса сварки. Источник питания с пологопадающей характеристикой ответственный за поддержание необходимого для процесса сварочного тока. Ввиду того, что стабильность процесса поддерживается первым источником (с крутопадающей ВАХ), второй источник (с пологопадающей ВАХ) возможно выполнить с малым (около 30 В для источника питания на ток 125 А и 35 В - на ток 250 А) напряжением холостого хода полуобмоток 2 и 3. Это позволило изготовить источник питания, потребляющий из сети на 15 ... 20 % меньше энергии, чем прототип. Кроме того, предлагаемое устройство имеет на 20... 25 % меньшую массу, чем прототип.

Формула изобретения 1 Устройство для дуговой сварки, содержащее трансформатор, вторичная обмотка которого разделена на две полуобмотки, два силовых тиристора, первые одноименные электроды которых подсоединены соответственно к каждому из свободных концов полуобмоток, блок управления силовыми тиристорами, причем общая точка полуобмоток и общая точка вторых одноименных электродов тиристоров подключены к выходным клеммам устройства, отличающееся тем, что, с целью улучшения качества сварки, расширения технологических возможностей и уменьшения массогабаритных и энергетических показателей, оно снабжено двумя зарядными и разрядными цепочками, причем обе зарядные цепочки состоят из последовательно соединенных диода и конденсатора.

2. Устройство поп. 1,отличающее- с я тем, что к общим точкам свободных концов полуобмоток и силовых тиристоров одна зарядная цепочка подключена одноименным с тиристором электродом диода, другая - свободной пластиной конденсатора, а общие точки конденсатора и диода зарядных цепочек соединены разрядными цепочками, состоящими из диода и дросселя, с общей точкой силовых тиристоров, причем тиристоры и диоды разрядных цепочек соединены через дроссели одноименными электродами.

3.Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что зарядные цепочки подключены параллельно каждой из полуобмоток, причем электрод силового тиристора соединен

5 с одноименным электродом их диода, а общие точки конденсатора и диода зарядных цепочек соединены разрядными цепочками, состоящими из диода и дросселя, с общей точкой силовых тиристоров, причем тири0 сторы и диоды разрядных цепочек соединены через дроссели одноименными электродами.

4.Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что оно снабжено общим дроссе5 лем, к общим точкам свободных концов полуобмоток и силовых тиристоров одна зарядная цепочка подключена одноименным с тиристором электродом диода, другая

-свободной пластиной конденсатора, а об- 0 щие точки конденсатора и диода зарядных

цепочек соединены разрядными цепочками, состоящими из диода, через общий дроссель с общей точкой силовых тиристоров, причем тиристоры и диоды разрядных цепо- 5 чек соединены через общий дроссель одноименными электродами;

5.Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что оно снабжено общим дросселем, зарядные цепочки подключены парал0 лельно каждой из полуобмоток, причем электрод силового тиристора соединен с одноименным электродом диода, а общие точки конденсатора и диода зарядных цепочек соединены разрядными цепочками, состоя5 щими из диода, через общий дроссель с общей точкой силовых тиристоров, причем тиристоры и диоды разрядных цепочек соединены через общий дроссель одноименными электродами.

0 6. Устройство по пп. 4и 5, отличающее с я тем, что последовательно с общим дросселем включен резистор.

7.Устройство поп, 1,отличающее- с я тем, что оно снабжено общим резисто5 ром, к общим точкам свободных концов полуобмоток и силовых тиристоров одна зарядная цепочка подключена одноименным с тиристором электродом диода, другая

-свободной пластиной конденсатора, а об- 0 щие точки конденсотора и диода зарядных

цепочек соединены разрядными цепочками, состоящими из диода, через общий резистор с общей точкой силовых тиристоров, причем тиристоры и диоды разрядных цепо- 5 чек соединены через общий резистор одноименными электродами.

8.Устройство поп, 1, отличающееся тем, что оно снабжено общим резистором, зарядные цепочки подключены парал- лельно каждой из полуобмоток, причем

электрод силового тиристора соединен с одноименным электродом диода, а общие точки конденсатора и диода зарядных цепочек соединены разрядными цепочками, состоящими из диода, через общий резистор С общей точкой силовых тиристоров, причем тиристоры и диоды разрядных цепочек соединены через общий резистор одноименными электродами,

9. Устройство по пп, 1-8, о т л и ч а ю- щ веся тем, что оно снабжено двумя диодами, двумя конденсаторами, оптотиристо- ром, светодиодом, диодным мостом и

0

RC-фазосдвигающей цепочкой, причем управляющие электроды силовых тиристоров через диоды и конденсаторы соединены с электродом оптотиристора, другой электрод которого подсоединен к средней точке вторичной обмотки, а с ветодиод оптотиристора- расположен в диагонали, соединяющей одноименные электроды диодного моста, другая диагональ которого соединена с одной стороны со средней точкой вторичной обмотки, а с другой - через токоограничиваю- щий элемент с RC-фазосдвигающей цепочкой. $

i

о-

Фиг. 2.

Фиг.Ъ

$ гяф

lj-гпф

со

6866281

)

uri.Hsl

Фиг. 8