Источник питания для дуговой сварки Советский патент 1983 года по МПК B23K9/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам питания сварочных установок, содержащих промежуточное звено переменного тока повышенной относительно питающей сети частоты.

Известно устройство, предназначенное для дуговой сварки и содержащее промежуточный преобразователь частоты, а также соединенные последовательно мостовой высоковольтный неуправляемый выпрямитель, питающийся от сети переменного тока, емкостный фильтр, тиристорный.полумостовой инвертор, силовой трансформатор, содержащий первиз1ную и -вторичную обмотки, низковольтный выпрямитель, фильтр и сварочную цепь, а также систему управления инвертором Cl.

Устройство имеет высокий КПД, так как при наличии двухобмоточного трансформатора ток нагрузки инвертора при разорванной сварочной цепи яв-. ляется током холостого хода трансформатора .

Достаточное для надежной коммутации вентилей инвертора значение этого тока обеспечивается при низком сопротивлении трансформатора со стороны его первичной обмотки, которое достигается малым числом виуков этой обмотки, активными потерями в сердечнике, либо совместным действием этих факторов, что приводит к потерям мощности в элементах источника питания.

известно также устройство, в которое для расширенных диапазонов нагрузок последовательного инвертора вплоть до холостого хода вторичной обмотки введен-выпрямитель, вход которого подключен к выходу инвертора непосредственно или через допол.- нительную обмотку трансформатора а выход - к зажимам питания инвертора постоянным током 23.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ис-

20 точнйк питания для дуговой сварки,содержащий тиристорный последовательный инвертор, трансформатор, нагрузку и выпрямитель, причем трансформатор содержит три обмотки (первичную, вторичную и дополнительную)-и схему управления инвертором. Первичная обмотка подключена к выходу инвертора, вторичная к нагрузке, дополнительная к входу выпрямителя, выход которого соединен с клеммами источника питания инвертора постоянным током.

Параллельно первичной обмотке трансформатора подключен конденсатор СзЗ.

Недоста тком источника является невысокий КПД, что связано с наличием конденсатора, подключенного па раллельно первичной обмотке трансформатора.

Применение конденсатора в данном устройстве вызвано необходимостью компенсации индуктивных составляющих сопротивлений фаз выпрямителя и инерционности его диодов с целью увеличения скорости вывода энергии из трансформатора во время переходных процессов; ограниченность диапазона частотного регулирования мощности нагрузки также связана с наличием конденсатора, сопротивление которого падает с ростом частот Целью изобретения является экономи электроэнергии за счет повышения КП

Цель достигается тем, что в истоник питания для дуговой сварки, содержащий высоковольтный выпрямитель подключенный к вводным клеммам сети переменного тока, последовательно сединенные фильтр, инвертор, трансформатор, имеющий первичную и вторичную обмотки и низковольтный выпрямитель , при этом выход последнего подключен к выходу источника, а выход высоковольтного выпрямителя подключен к фильтру, первый и второй входы первой схемы сравнения соединены соответственно с выходом цатчика тока и источником опорного напряжения, выход первой схемы сравнения через задающй генератор соединен с последовательно соединен- ными делителем частоты иформирователем импульсов, выход которого соединен с тиристорами инвертора, введены линия задержки, вторая схема сравнения и делитель напряжения, а трансформатор выполнен с тремя дополнительными обмотками, причем пер вая и третья Дополнительнее обмотки намотаны поверх остальных обмоток трансформатора, к выходным зажимам инвертора подключены.две параллельные цепи, первая из которых состоит из последовательно-согласно соединенных первичной и первой дополнительной обмотки трансформатора а вторая из последовательно-встречно соединённых второй: и третьей дополнительной обмоток, выход датчика тока соединен с первым входом второй схемы сравнения, второй ее вход через делитель напряжения соединен с источником опорного напряжения, выход вгорой cxei«a сравнения через линию задержки соединен с вторым входом задающего гененатора.

На чертеже приведена блок-схема {источника питания.

Источник питания содержит высоковольтный выпрямитель 1, вход которого подключен к питающей сети переменного тока, выход через фильтр 2к входу последовательного тиристор- ного инвертора 3, выход которого подключен к двум параллельно соединенным цепям, первая из которых об-, разована последовательным-согласным соединением первичной 4 и первой дополнительной 5 обмоток трансформатора 6, вторая - последовательШ1м-встречным соединением второй 7 и третьей 8 дополнительных обмоток. Вторичная обмотка 9 этого трансформатора подключена к входу низковольтного выпрямителя 10, выход которого соединен с зажимами сварочной дапи 11, в разрыв которой введен датчик тока 12, его выход соединен с одним входом первой схемы сравнения 13, к другому входу которой подключен источник опорного напряжения 14

Выход первой схемы сравнения 13 соединен с первым входом задающего генератора 15, второй его вход через последовательно включенную линию задержки 16 соединен с выходом второй схемы сравнения 17, первый вход которой соединен с выходом датчика тока; второй - с источником опорного напряжения через делитель напряжения 18. .

Выход задающего генератора через последовательно соединенные делитель настоты 19 и формирователь (например двухканальный) импульсов 20 соединен с управляющими цепями тиристоров инвертора 3, -Сварочная цепь 11 содержит электрод 21 и изделие 22.

Уст.ройство работает следующим образом.

Напряжение, на концах дополнительных обмоток 5 и 8 представляют собой алгебраические суммы ЭДС, наведенной намагничивающей составляющей тока первичной обмотки и падения напряжения от токов обмоток 4 и 7, т.е. нагрузочных токов в полных сопротивлениях обморок 5 и 8, причем в обмотке 5 эти величины суммируются, а в обмотке 8 вычитаются. При за мыкании электрода 21 на изделие 22 и при горении дуги в сварочной цепи 11 появляется ток, а падения напряжения преобладают над наведенными составляющими ЭДС обмоток 5. и 8, так как последние расположены поверх всех прочих обмоток трайсфррматора и имеют малое, по сравнению с первичной обмоткой, число витков (2-3%) и, следовательно, слабую связь с первичной обмоткой.

Если первичная 4 и вторичная дополнительная 7 обмотки идентичны по электрическим и геометрическим характеристикам (например намотаны двумя параллельными одинаковыми проводниками), то и токи даух параллельных цепей, образованных обмотками 5, 4 и If 8 еоответственно, практически оди наковы, поскольку разность напряжений на Ьбмотк ах 5 и 8 пренебрежительно мала по сравнению с напряжением на одной из обмоток 4 или 7. Сумма этих токов является током нагрузки инвертораV В этих режимах трансформатор пред лагаемого устройства идентичен по своим электрическим параметрам двух обмоточному трансформатору с замкну тым магнитопроводом, отличаясь лишь констр|укцией первичной обмотки При отсутствии тока сварочной цепи составляющие напряжений на концах обмоток 5 и 8, вызванные нагрузочным током, становятся равными нулю. В то же время наведенные составляющие возрастают количественно, так как экранирующее действие вторичной обмотки 9 на расположенные поверх нее обмотки 5 и В устраияются при отсутствии тока этой обмотки. В таком режиме, при сохранении условия идентичности обмоток 4 и 7, их токи нельзя считать одинаковыми, так как в замкнутой цепи, образован ной последовательным . соединением о моток 4, 5 8 и 7; действует ЭДС ра ная арифметической сумме напряжений обмоток 5 и 8. Ток, протекающий в указанной цепи, создает потери мощ ности в трансформаторе, а энергия, обеспечивающая этот процесс, поступает от инвертора в виде уравнитель ного тока обмоток трансформатора, я ляю1чегося одновременно током нагруз ки инвертора. Данный режим аналогичем режиму двухобмоточного трансформатора вто ричная обмотка которого замкнута на некоторое сопротивление, имеет число витков, равное сумме чисел ви ков обмоток 5 и В, сопротивление на грузки ее равно сумме сопротивлений обмоток 4, 5,7 и В трансформатора предлагаемого устройства. Регулирование мощности, подводимой к сварочной цепи, производится путем изменения рабочей частоты ин вертора, которая определяется задакадим генератором, системы управле..ния. . - . ;. Задакндай генератор 15 представля ет собой управляемый преобразовател напряжения в частоту прямоугольных импульсов и имеет два входа. При положительном потейциале на. втором входе задающего генератора 15 частота следования импульсов на его выходе прямо пропорциональна напряжению на первом входе задающего генератора 15. Если потенциал на ВТОром входе отрицателен, частота следования выходных импульсов уменьшается до защанного минимального значения, .не зависящего от сигнала на первом входе Зсщающего генератора 15. Делитель частоты 19 распределяет выходные импульсы задающего генератора 15 на два канала по числу тиристоров инвертора. Формирователь 20 изменяет электрические параметры выходных импульсов делителя частоты с целью согласования их с параметрами управляющих цепей тиристоров. Если источник питания предназначен для ручной сварки, система управления работает в режиме форгшрования крутопадающей внешней статической характеристики, а сам источник является стабилизатором тока сварочной цепи. При включении источника в цеть, когда электрод 21 не касается изделия 22, выходной сигнал датчика тока 12 равен нулю.х Этот сигнал действует на первом ( инвертирующем) входе первой схемы сравнения 13, на втором входе которой напряжение равно опорному. На выходе первой схемы сравнения и на первснл входе задающезго генератора 15 действует напряжение, соответствующее максимальной частоте. Однако частота следования выходных импульсов задающего генератора 15 минимальна, так как на втором его входе действует отрицательный потенциал, формируемый второй схемой сравнения 17 и передаваемой через линию задержки 16, так как к первому {неинвертирующему) входу схемы сравнения 14 приложен нулевой потенциал-, к второму ее входу - положительный потенциал источника опорного напряжения, прошедший через делитель напряжения 18. Источник работает в режиме холостого хода сварочной цепи при минимальной частоте инвертора. При замыкании электрода на изде- лие в сварочной цепи появляется ток. Когда последний достигает заданного минимального з начения, например равного 0,1 номин альнрго: сварочного тока, на. выходе второй схемы сравнения появляется положительный потенциал. Через интервал времени, определяемый линией, задержки 16, этот потенциал передается на второй вход задающего генератора 15 и разрешает его функционирование в режилю пре- образователя напряжение - частота, а в целом источник питания работает в режиме стабилизатора сварочного тока. При обрыве дуги рабочс1Я частота инвертора возрастает и достигает заданного максимального значения, так как сигнал на выходе первой схемы сравнения максимален, а прохождение отрицательного потенциала выхода второй схемы сравнения задерживается на интервал времени, определяемый линией задержки 16. Если в течение этого интервала сварочная цеп восстановится, стабилизация тока продолжится, в противном случае по истечении времени задержки под действием выходного сигнала схемы сравнения 17 частота инвертора уста новится на минимальном значении. Таким образом, повышение КПД в предлагаемом устройстве достигается за счет того, чти трансформатор дан ной конструкции в нормальном режиме сварки эквивалентен двухобмоточному трансформатору с малыми потерями, т.е. имеет достаточно большую индук тивность первичной обмотки и являет ся единственной нагрузкой инвертора В режиме холостого хода со сторо ны сварочной цепи нагрузкой инверто ра является уравнительный ток транс форматора, в обмотках последнего пр номинальной частоте-выделяется значительная мощность, соизмеримая с номинальной мощностью Нагрузки, а КПД .устройства равен нулю. Такой режим, однако,практически не влияет на средний КПД устройства поскольку, благодаря введению элементов 16 и 17 и связей между ними и прочими элементами системы управления, он имеет весьма малую относи тельную продолжительность составля ющую не более 10 в результате чего средний КПД оказывается больше КПД известного устройства на 6-7%. Кроме повышения КПД, предлагаемое устройство позволяет увеличить надежность источников питания для дуговой сварки, что связащ) с оггсутствием элементов, образующих цепь сброса энергии в источний постоянного напряжения, и увеличением скорости вывода энергии из первичной обмотки трансформатора. В предлагаемом устройстве эта энергия не выводится из трансформатора, а переводится в последнем из электрической в тепловую, причем, благодаря идентичности обмоток 4, 7 и 5 и 8, соответственно скорость рассеивания энергии всегда достаточна для формирования переходного процесса без перенапряжений. Отсутствие статических и динамических перенапряжений (ограничение напряжения холостого хода), в свою очередь, гарантирует безопасность эксплуатации такого источника. Предлагаемое устройство имеет хорошие массо-габаритные показатели, поскольку затраты материалов на изготовление трансформатора примерно такие же как и на изготовление двухобмоточного, так как за счет параллельного включения обмоток 4 и 7 сечение провода этих обмоток может быть в два раза меньше, чем провода первичной обмотки двухобмоточного трансформатора, а обмотки 5 и. 8 имеют весьма малое число витков (как правило один)у Таким образом, преимуществами предлагаемого источника по сравнению с известным являются: повьпяение КПД на 6-7%; повышение надежности и безопасности персонала, так как выход на холостой ход происходит без. перенапряжения на элементах схемы (в схеме известного устройства перенапряжения приводили к частым ложным срабатываниям тиристоров и к опрюкидыванию инвертора; снижение массы и габаритов на 15-20% с учетом снижения потерь в обмотках в рабочих режимэх (увеличение потерь на холостом ходе не принципиально, так какхолостой ход практически отсутствует - его длительность не более 10-30 с). При освоении серийного производства предлагаемого устройства взамен серийного сварочного выпрямителя экономический эффект составит 424 руб. на одно изделие. Формула изобретения Источник питания для дуговой , сварки, содержащий высоковольтный выпрямитель, подключенный к вводным клеммам сети переменного тока, последовательно соединенные фильтр, инвертор, трансформатор, имеющий первичную и вторичную обмотки и низковольтный выпрямитель, при этом выход последнего подключен к выходу источника, а выход высоковолитного выпрямителя подключен-к фильтру, первый -и второй входы первой схемы сравнения соединены соответственно с датчика тока и источником опорного напряжения, выход первой схемы сравнения через задающий генератор соединен с последовательно соединенными делителем частоты и формирователем импульсов, выход которого соединен с тиристорами инвертора, отличающийся тем, что, с целью экономии электроэнергии за счет повышения КПД источника, в него введены линия задержки, вторая схема сравнения и делитель напряжения, а трансформатор выполнен с тремя дополнительньп ш обмотками, причем первая и третья дополнительные обмотки намотаны поверх остальных обмоток трансформатора, к выходным зажимс1М инвертора подключены две параллельные цепи, первая из которых состоит из последовательносогласно соединенных первичной и первой дополнительной обмотки трансФорматора, а вторая - из последовательно-встречно соединенных второй и третьей дополнительной обмоток, выход датчика тока соединен с первым входом второй схемы сравнения.

9 99803710

второй ее вход делитель напря-1. Патент Великобритании

жения соединен с источником опорно-d 1546211, Н 2 F,. опублик.23.05.79.

го напряжения, выход второй схемы2. берфорд Б. Хофт Р. Теория авсравнения через линию Задержки со-тономных ин аерторов. М., Энергия,

единен с вторым входом задающего ге-1969, с. 71.

нератор&. ., 3. Тиристо{%1. Под ред. В.А.ЛабунИсточники информации, цова. М., Энергия, 1971, с. 294,

принятые во внимание при экспертизерис. 11-206 (прототип).