Источник питания для дуговой сварки с регулируемой крутизной вольтамперной статической характеристики

 

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ С РЕГУЛИРУЕМОЙ КРУТИЗНОЙ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ , содержащий силовой трансформатор , включенный на вход выпрямителя , .отрицательная шина которого через вторичную обмотку импульсного трансформатора, зашунтированную контактами реле, подключена к первому вькоду источника, а положительная шина через силовой модулятор и шунт подключена к второму выходу источника , который через шунтирующий вентиль соединен с отрицательной шиной выпрямителя, при этом эта шина и шунт соединены с входом фильтра обратной связи, выход последнего соединен с неинвертирующим входом усилителя-сумматора , а его выход через последовательно соединенные усилитель мощности , диод и резистор подключен к первому входу широтно-импульсного модулятора , второй его вход соединен с выходом генератора, выхол широтно-импульсного модулятора через усилитель подключен к управляющему входу силового модулятора, выход первого стабилизатора напряжения соединен с шинами питания генератора, широтно-импульсного мопулятооа и усилителя выход второго стабилизатора напряжения соединен с шинами питания усилителя-сумматора и усилителя мощности, а выход третьего стабилизатора напряжения соединен с шинами питания релейного блока первый и второй его (Л выходы соединены соответственно с осциллятором и инвертирующим входом усилителя-сумматора, а выход Осциллятора соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения качества сварного соединения за счет регулирования процесса сварки путем изменения крутизны вольт-амперной статической сд характеристики источника питания, в него введены элемент сравнения, переключатель и два блока памяти, выход фильтра обратной связи соединен с неинвертирующим входом элемента сравнения и через первую группу нормально замкнутых контактов переключателя с входом первого блока памяти , а выход последнего соединен с инвертирующим входом элемента сравнения , выход которого соединен с входом второго блока памяти через вторую группу нормально разомкнутых контактов переключателя, выход второ

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (51) В 23 К 9/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ .СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOlVlY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3558315/25-27 (22) 01.03.83 (46) 30.06.84. Вюл. N- 24 (72) Н.Г.Синельников, В.N.Ãàíþøèí и Г.П.Фетисов (71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (53) 621.791.75(088 ° 8) (56) 1. Гладков Э.Г. и др. Влияние

° формы вольт-амперной характеристики источника питания дуги на процессы плавления и формирование шва.

"Известия высших учебных заведений", Сер. "Машиностроение", 1973, Ф 7, с. 136-140.

2. Фетисов Г.П. и др. Статические высокочастотные преобразователи энергии для дуговой сварки. — "Автоматическая сварка". 1982, В 7, с. 59-63 (прототип). (54) (57) ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ С РЕГУЛИРУЕМОЙ КРУТИЗНОЙ

ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ, содержащий силовой трансформатор, включенный на вход выпрямителя,,отрицательная шина которого через вторичную обмотку имгульсного трансформатора, зашунтированную контактами реле, подключена к первому выходу источника, а положительная шина через силовой модулятор и шунт подключена к второму выходу источника, который через шунтирующий вентиль соединен с отрицательной шиной выпрямителя, при этом эта шина и шунт соединены с входом фильтра обратной связи, выход последнего соединен с неинвертирующим входом усилителя-сумматора, а его выход через последовательно соединенные усилитель мощности, диод и резистор подключен к первому входу широтно-импульсного модулятора, второй его вход соединен с выходом генератора, выход широтно-импульсного модулятора через усилитель подключен к управляющему входу силового модулятора, выход первого стабилизатора напряжения соединен с шинами питания генератора, широтно-импульсного мопчлятооа и усилителя, выход второго стабилизатора напряжения соединен с шинами питания усилителя-.сумматора и усилителя мощности

) а выхол третьего стабилизатора напряжения соединен с шинами питания ре- Е

С2 лейного блока, первый и второй его выходы соединены соответственно с осциллятором и инвертирующим входом усилителя-сумматора, а выход Осциллятора соединен с первичной обмот- Я кой импульсного трансформатора, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварного соединения за счет регулирования процесса сварки путем изменения крутизны вольт-амперной статической характеристики источника питания, в него введены элемент сравнения, переключатель и два блока памяти, выход фильтра обратной связи соединен с неинвертирующим входом элемента сравнения и через первую группу нормально замкнутых контактов пере- фф ключателя с входом первого блока памяти, а выход последнего соединен с инвертирующим входом элемента сравнения, выход которого соединен с вхо- дом второго блока памяти через вторую группу нормально разомкнутых контактов пепеключателя, выход второrî блока памяти соединен с инвертирующим входом усилителя-сумматора, дополнительные входы первого и второго блоков памяти соединены соответственно с третьей группой нормал но замкнутых и с четвертой группой

1100057 нормально разомкнутых контактов переключателя, выход третьего стабилизатора напряжения соединен с шинами питания первого и второго блоков памяти и элемента сравнения.

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано в качестве источника питания при дуговой сварке.

Известно устройство, состоящее из генератора ПСГ-500 и балластных реостатов РБ-301, от которого питается сварочная дуга.

С помощью изменения сопротивления балластных реостатов и изменения на- 10 пряжения на обмотке возбуждения генератора это устройство позволяет изменить крутизну вольт-амперной статической характеристики t1j .

К недостаткам данного устройства следует отнести большие потери электроэнергии на балластных реостатах, невозможность плавно изменить крутизну характеристики (из-за ступенчатого изменения сопротивления реостатов) и необходимость восстановления режима сварки, характеризующегося положением рабочей точки на характеристике, на медной водоохлаждаемой пластине.

Из известных источников питания для дуговой сварки с регулируемой крутизной вольт-амперной статическои характеристики наиболее близким по технической сущности является транзисторный преобразователь МВТУ, содержащий управляемый блок формирования импульсов сварочного тока, включающий силовой трансформатор, выпрямитель, силовой, модулятор, осциллятор, стабилизаторы напряжения, генератор, широтно-импульсный модулятор, усилитель и релейный блок, и канал обратной связи, состоящий из фильтра обратной связи, уси40 лителя-сумматора, усилителя мощности и стабилизатора напряжения (2) .

Преобразователь дает возможность регулировать крутизну вольт-амперной статической характеристики путем! подстройки двух потенциометров в фильтре обратной связи, однако при этом происходит смещение рабочей точки. Для того, чтобы восстановить первоначальный режим сварки, необходимо изменить сигнал установки. Сигнал уставки определяет режим сварки и вводится в устройство заранее настройкой органов управления релейного блока.

Таким образом, недостаток описанного устройства заключается в том, что оно не позволяет изменять крутизну вольт-амперной статической характеристики, не изменяя положения рабочей точки. Изменение же положения рабочей точки, являющееся следствием нарушения режима сварки, приводит к дефектам сварного соединения.

Целью изобретения является повышение качества сварного соединения за счет регулирования процесса сварки путем изменения крутизны вольтамперной статической характеристики источника питания.

Поставленная цель достигается тем, что в источник питания для дуговой сварки с регулируемой крутизной вольт-амперной статической характеристики, содержащий силовой трансформатор, подключенный на вход выпрямителя, отрицательная шина которого через вторичную обмотку импульсного трансформатора, зашунтированную контактами реле, подключена к первому выходу источника, а положительная шина через силовой модулятор и шунт ,подключена к второму выходу источника, который через шунтирующий вентиль соединен с отрицательной шиной выпрямителя, при этом эта шина и шунт соединены с входом фильтра обратной связи, выход последнего соединен с неинвертирующим входом усилителя1200057 сумматора, а его выход через последовательно соединенные усилитель мощности, диод и резистор подключен к первому входу широтно-импульсного модулятора, второй его вход соединен с выходом генератора, выход широтноимпульсного модулятора через усилитель подключен к управляющему входу силового модулятора, выход первого стабилизатора напряжения соединен 20 с шинами питания генератора, широтноимпульсного модулятора и усилителя, выход второго стабилизатора напряжения соединен с шинами питания усилителя-сумматора и усилителя мощности, 2Б а выход третьего стабилизатора соединен с шинами питания релейного блока, первый и второй его выходы соединены соответственно с осциллятором и инвертирующим входом усилителя2п сумматора, а выход осциллятора соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора, введены лемент сравнения, переключатель и два блока памяти, выход фильтра обратной связи 25 соединен с неинзертирующим входом элемента сравнения и через первую группу нормально замкнутых контактов переключателя с входом первого блока памяти, а выход последнего соединен с инзертирующим входом элемента сравнения, выход которого соединен с входом второго блока памяти через вторую группу нормально разомкнутых контактов переключателя, выход второго блока памяти соединен с инвертирующим входом усилителя-сумматора, дополнительные входы первого и второго блоков памяти соединены соответственно с.третьей группой нормально замкнутых и с четвертой группой нормально разомкнутьх контактов переключателя, выход третьего стабилизатора соединен с шинами питания первого и второго блоков памяти и элемента 4 сравнения.

На фиг. 1 изображена функциональная схема источника питания; на фиг. 2 — вольт-амперные статические характеристики; на фиг. 3 — структура блока памяти.

Источник питания содержит силовой-трансформатор 1, подключенный на вход выпрямителя 2, отрицательная шина которого через вторичную обмотку импульсного трансформато- ра 3, зашунтированную контактами 4 реле, подключена к горелке 5, а положительная шина через силовой модулятор 6 и шунт 7 — к изделию 8, которое через шунтирующий вентиль 9 соединяется с отрицательной шиной выпрямителя 2, причем эта шина и, шунт 7 соединены с входом фильтра обратной связи 10, выход которого соединен с неинвертирующим входом усилителя-сумматора 11, выход которого через последовательно соединен" ные усилитель мощности 12, диод 13 и резистор 14 подключен к одному из входов широтно-импульсного модулятора 15, второй вход которого соединен с выходом генератора 10, выход. широтно-импульсного модулятора 15 через усилитель 17 подключен к управляющему входу силового модулятора 6, выход первого стабилизатора напряжения 18 соединен с шинами питания генератора 16, широтно-импульсного модулятора 15 и усилителя 17, выход второго стабилизатора напряжения 19— с шинами питания усилителя-сумматора 11 и усилителя мощности 12, а выход третьего стабилизатора напряжения 20 — с шинами питания релейного блока 21, один выход которого соединен с осциллятором 22, а другой — с инвертирующим входом усилителя-сумматора 21. Кроме того, источник питания содержит элемент сравнения 23, первый блок памяти 24, второй блок памяти 25, индикатор 26 и переключатель 27, причем выход фильтра обратной связи 10 соединен как с неинвертирующим входом элемента сравнения 23 так и через первую группу нормально замкнутых контактов 28 переключателя 27 с входом первого блока памяти 24, а выход первого блока памяти соединен с инвертирующим входом элемента сравнения 23, выход которого соединен как с индикатором 26, так и с входом второго блока памяти 25 через вторую группу нормально разомкнутых контактов 29 переключателя 27, а выход второго блока памяти 25 соединен с инвертирующим входом усилителя-сумматора 11, дополнительные входы первого блока памяти 24 и второго блока памяти 25 соединены соот,ветственно с третьей группой. нормально замкнутых контактов 30 и четвертой группой нормально разомкнутых контактов 31 переключателя 27.

Предлагаемый источник питания позволяет проводить сварку на различ110005 ных режимах. Например: сварка прн .стабилизированных действующих значениях сварочного тока Д. > ) н напря:жения (U ) сварка с изменением

Д и U по заранее определенСВ В ной программе сварка с изменением

Х и U в зависимости от услосв вий протекания процесса.

Для определенности рассматривает10 ся работа источника в режиме стабилизации.

Обычно перед началом сварки определяются наиболее целесообразные параметры режима сварки. Пусть для ка-! кого-то определенного изделия наибо- 15 лее целесообразно вести сварку с углом наклона рабочего участка вольтамперной статической характеристики (фиг. 2, характеристика 32) М,, а также при стибилизированных значениях 20 сварочного тока, с и напряжения

Псе ° Параметры се и Псв определяют положение рабочей точки А.

Перед началом работы подключается электропитание и экспериментально 25 подбирается нужный наклон рабочего участка вольт-амперной статической характеристики источника (М,1) путем подстройки двух потенциометров в фильтре обратной связи 10. Переклю- зо чатель 27 при этом. находится, в состоянии, которое отображено на фиг. 1, т.е. группы контактов 29 и 31 разомкнуты, а 28 и 30 - замкнуты. Положе, ние рабочей точки на характеристике 32 определяется изменением сигнала уставки органами .управления релейного блока 21,. Настроенный таким образом источник готов для проведения с его помощью процесса сварки. 4р

При включении электропитания напряжение сети. подается как на сило-. вой трансформатор 1, так и на три стабилизатора напряжения 18 — 20 и на осциллятор 22. Питание блоков 23 45

25 может быть осуществлено, например, от стабилизатора напряжения 19. По сигналу с релейного блока 21 осцил лятор 22 пробивает межэлектродный промежуток при разомкнутых контактах 4. Загорается дуга и контакты 4 замыкаются. Синхронизация зажигания дуги и срабатывания контактов 4 осуществляется релейным блоком 21 °

Сигналы обратной связи по току с шунта 7 и по напряжению поступают на входы фильтра обратной связи 10, где преобразуются в соответствии

7 с настройкой элементов фильтра в комплексный сигнал обратной связи.

Этот сигнал поступает на неинвертирующий вход усилителя-сумматора 11, где он сравнивается с сигналом установки, поступающим на инвертирующий вход блока 11 с релейного блока 21.

Если текущие значения с и U g отличаются от заданных се„и U >, то на выходе блока 11 получается сигнал рассогласования. Он усиливается в усилителе мощности 12 и через диод 13 и резистор 14 поступает на управляющий вход широтно-импульсного модулятора 15..На второй вход блока 15 поступает опорный сигнал с генератора 16. Блок 15 вырабатывает импульсы. напряжения, ширина которых зависит от величины и знака сигнала рассогласования между сигналом установки и комплексным сигналом обратной связи. Импульсы с выхода.блока 15, усилившись в усилителе 17, поступают на управляющий вход силового модулятора 6 и управляют его работой.

Пониженное на силовом, трансформаторе 1 и выпрямленное на выпрямителе 2 сетевое напряжение прерывается силовым модулятором 6 таким образом, чтобы ширина импульсов напряжения на дуге была такой, чтобы обеспечивались заданные Зсз,и U s, На процесс сварки оказывает влияние ряд возмущающих. факторов. В результате этого влияния качество сварного соединения снижается. Отрицательное влияние некоторых возмущений (например, нестабильность напряжения сети, колебания длины дуги т..д.) удается устранить стабилизацией 3с> и U >. В предложенном устройстве стабилизация рабочей точки осуществляется с помощью обратной связи по току и напряжению.

При высоком уровне таких возмущений, как изменение свойств свариваемого материала (например, толщины кромок, химического состава, предварительной упрочненности и т.д.), отклонение геометрических параметров собранного под сварку стыка и других возникает необходимость изменять па.раметры режима сварки. Обычно изменяют или скорость сварки, или сварочный ток. Но при изменении сВ, смещается рабочая точка, что часто вызывает нарушение тепловой обстанов1100057 ки в зоне горения дуги, приводящее к дефектам сварного соединения.

Изменение скорости взаимного перемещения изделия и сварочной горелки из-за инерционности приводных механизмов не всегда позволяет оперативно управлять сварочным процессом.

В предлагаемом устройстве есть возможность компенсировать технологические возмущения за счет изменения крутизным вольт-амперной статической характеристики. Причем это изменение крутизны можно проводить в процессе сварки, не изменяя величи- 15 ны вводимого .в изделие тепла. Дляэтого комплексный сигнал обратной связи подается как на неинвертирующий, так и на инвертирующий вход элемента сравнения 23 через блок 24. 20

Блоки памяти 24 и 25 могут работать как в режиме запоминания сигналов при разомкнутых контактах 30 и 31, так и в режиме, когда сигнал свободно (не искажаясь) проходит с входа 25 на .выход блоков 24 и 25 при замкнутых контактах 30 и 31. Причем при положении контактов переключателя

27, отображенном на фиг. 1, вновь введенная цепь из элементов 23 — 27 Зо на работу источника питания влияния не оказывает. При этом на выходе блока 23 получается нулевой сигнал, что контролируется по индикатору 26.

При замкнутых контактах 28 и 30 35 сигнал с выхода блока 10 проходит через первый блок памяти 24 на.инвертирующий вход элемента сравнения 23,. в котором производится вычитание сигналов. Для изменения крутизны вольт- 40 амперной статической характеристики источника надо перевести переключатель 27 в положение, когда контакты 28 и 30 разомкнуты, а 29 и 31 замкнуты. При этом на выходе бло- 45 ка 24 сохраняется значение комплекс,— ного сигнала обратной связи, которое было в момент переключения 27, например U1.

Подстраивая оба потенциометра

50 в фильтре обратной связи, можно изменить угол наклона рабочего участка характеристики источника до нового значения (например g, фиг. 2, характеристика 33) . Рабочая точка А при этом своего положения не изменяет, так как сигнал рассогласования на выходе блока 11 (U ) не изменяется ! вследствие автоматической корректировки, осуществляемой элементами вновь введенной цепи. Новое значение комплексного сигнала обратной связи (U<=U< +Ы)поступает на неинвертирующий вход блока.23, где в результате вычитания из него сигнала

U : (с блока памяти .24) получается отличный от нуля сигнал ДП. Этот сигнал через контакты 29 (замкнутые) и блок 25 поступает на инвертирующий вход блока 11. Если до изменения крутизны характеристики

9 1 С, где U — сигнал уставки, то и после изменения крутизны

ПЧ 2 1 3св Ц=П -U9v> где ЕУ вЂ” изменение значения комплекс" ного сигнала обратной связи в результате подстройки потенциометров блока 10.

После проведения операции по изменению крутизны характеристики переключатель 27 надо перевести в первоначальное положение, когда контакты 28 и 30 замкнуты, а 29 и 31: — разомкнуты. При этом на блок 11.с выхода второго блока памяти 25 поступает сигнал KU и тем самым сохраняется неизменное положение рабочей точки А. Для проведения последующих изменений угла наклона рабочего участка вольт-амперной статической характеристики источника необходимо действовать описанным способом.

Все блоки, использованные для построения предлагаемого источника питания, могут быть реализованы на базе стандартных элементов, выпускаемых отечественной радио- и электротехнической промышленностью. Например, силовой трансформатор 1, предназначенный для понижения напряжения сети, изготовлен из серийного трехфазного трансформатора необходимой мощности, выпрямитель 2 предназначен для выпрямления поступающего с трансформатора 1 напряжения ° Выпря" митель собран по схеме Ларионова на базе серийно выпускаемых диодов.

Импульсный трансформатор 3 конструктивно объединен с осциллятором 22 в виде серийного осциллятора ОСППЗЗООИ-1. Контакты 4 реле предназначены для шунтирования вторичной обмотки трансформатора 3 при сварке. Контакты 4 являются контактами серийно выпускаемого контактора типа КМ.

057

9 »00

Обмотка контактора входит в состав релейного блока. Силовой модулятор 6

|может быть собран по схеме, приведенной на фиг. 1, причем в качестве ключевого элемента применяется один или несколько параллельно соединенных транзисторов (например ТК-100, КТ825Г и т.д.). Шунтирующий вентиль 9 предназначен для того, чтобы во время паузы сварочного тока зала- 1В сенная в распределенной индуктивности сварочной цепи энергия могла выделиться на нагрузке (на дуге).

Фильтр обратной связи 10 может быть собран по схеме, приведенной на 15 фиг ° 1. Усилитель-сумматор 11, элемент сравнения 23, генератор 16 и широтно-импульсный модулятор 15 могут быть выполнены на без аналоговых и цифровых микросхем (например, 140УД 1Б, K155JIA3, К155ЛА4, К158ТК1 и т.д.).. Цепочка, состоящая из диода 13 и резистора 14, служит как для согласования выкода блока 12 с входом блока 15, так и для того чтобы на вход блока 15 поступал сигнал одной полярности. Стабилизаторы напряжения 18 — 20 предназначены для питания блоков 16,17,15,11,12,23, 24,25 и 21. Они могут быть выполнены по обычной схеме параметрического стабилизатора напряжения. Репейный блок 21 предназначен как для включения в определенной последовательности элементов 22 и 4, так и для управ35 ления работой схемы по заранее установленной программе (если требуется).

Релейный блок собран по схеме, в ко" торой использованы как электромагнит. ные, так H электронные реле. Блоки памяти 24 и 25 могут быть выполнены по схеме, приведенной на фиг. 3, которая включает конденсатор 34. с малым током утечки, резистор 35 и истоковый повторитель, собранный на полевом транзисторе 36 и реэисторе 37. В качестве индикатора может быть использован вольтметр. В качестве переключателя 27 может быть использован, например, галетный пере-ключатель или тумблер.

Использование новых элементов (23, 24, 25, 26 и 27) выгодно отли чает предлагаемый источник питания от прототипа. В источнике появляется возможность изменять крутизну его вольт-амперной статической характеристики, не изменяя положения рабочей точки. С помощью же вариации наклона внешней статической характеристики источника питания можно изменять форму столба дуги, т.е. технологические свойства дуги.

В результате имеется возможность устранить влияние ряда технологических возмущений и повысить качество сварного соединения.

Изготовлен макет источника питания для дуговой сварки по предлагаемои схеме, который успешно прошел предварительные испытания. При этом проведена сварка тонколистовых монструкций из нержавеющей стали (уплотнительных колец и сильфонов). Исследование микро- и макрошлифов образцов показывают, что структура металла шва имеет мелкозернистую структуру, а геометрические размеры сваренного шва отвечают требованиям ГОСТа. Механические испытания образцов показывают высокое качество сварного соединения.

По сравнению с базовым объектом, источником питания серии ВСВУ, предлагаемое устройство позволяет снизить процент брака при производстве уплотнительных колец и сильфонов в три раза за счет того, что появляется возможность устранения .ряда технологических возмущений путем изменения в процессе сварки крутизны вольтамперной статической характеристики источника питания.

1100057

1100057

7с8/

Ф/ 2/)

Составитель Г.Чайковский

Редактор А.Гулько Техред А.Кикемезей Корректор А.Ильин

Заказ 4465/11 Тираж 1037 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðoä, ул.Проектная, 4