Высокочастотный источник питания для дуговой сварки

 

Изобретение относится к сварочной технике и может быть использовано при проектировании источников питания. Цель - снижение габаритов и уменьшение мощности , потребляемой силовыми модуляторами. Устройство содержит источник постоянного тока и два силовых модулятора. Блок управления содержит схему поочередного переключения силовых модуляторов. Силовые транзисторные модуляторы преобразуют постоянный ток в высокочастотный импульсный . Блок управления позволяет регулировать среднее значение сварочного тока, частоту импульсов, диапазон пульсаций. Источник питания позволяет равномерно распределить тепловую нагрузку между модуляторами , уменьшить их мощность, упростить их конструкцию и настройку на оптимальный режим путем поочередного переключения каналов управления модуляторами . 4 ил. с S

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК цп 4 В 23 К 9 00 с

1. °

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ Ь

CO 3

h4

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2!) 4175318/31-27 (22) 05.01.87 (46) 07.07.88. Бюл. № 25 (71) Московский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (72) Н. Г. Синельников, В. М. Ганюшин, Г. П. Фетисов и Д. Л. Венценосцев (53) 621.791.65.03 (088.8) (56) Патент США № 4046987, кл. В 23 К 9/00

06.09. 77. (54) ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИСТОЧНИК

ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ (57) Изобретение относится к сварочной технике и может быть использовано при проектировании источников питания. Цель— снижение габаритов и уменьшение мощнос„„Я0„„1407720 А1 ти, потребляемой силовыми модуляторами.

Устройство содержит источник постоянного тока и два силовых модулятора. Блок управления содержит схему поочередного переключения силовых модуляторов. Силовые транзисторные модуляторы преобразуют постоянный ток в высокочастотный импульсный. Блок управления позволяет регулировать среднее значение сварочного тока, частоту импульсов, диапазон пульсаций.

Источник питания позволяет равномерно распределить тепловую нагрузку между модуляторами, уменьшить их мощность, упростить их конструкцию и настройку на оптимальный режим путем поочередного переключения каналов управления модуляторами. 4 ил.

1407720!

1

Изобретение относится к области сваочной техники и может быть использоано при проектировании источников питаия.

Целью изобретения являетси снижение мощности и удешевление силовых модуля оров.

На фиг. изображена функциональная

<хема высокочастотного источника питания

<ля дуговой сварки; на фиг. 2 — вреенные диаграммы управляющих импульсов апряжения и сварочного тока; на фиг. 3— ариант блока поочередного переключения аналов управления модуляторами; на иг. 4 — временные диаграммы напряже ий на выходах элементов блока поочеедного переключения каналов управления одуляторам и, Высокочастотный источник питания для, уговой сварки содержит последовательно с единенные источник постоянного тока, в <полненный на трехфазном трансформат ре 1 и трехфазном выпрямителе 2, перв <й модулятор 3, датчик 4 тока, дугов и промежуток 5, осциллятор 6 с пере. ычкой 7 и второй модулятор 8, а также и рвый 9 и второй 10 диоды, резисторы

1 и 12, первый 13 и второй 14 конденс торы, первый 15 и второй 16 усилители, б ок 17 поочередного переключения канал в управления модуляторами (коммутатор) и блок 18 управления.

Блок управления состоит из интегрируюц ей цепи, выполненной на резисторе 19 и конденсаторе 20, задатчика 21 среднего з ачения сварочного тока, усилителя-суммат ра 22, генератора 23 треугольных импульс в с задатчиком 24 частоты, компаратора

2, двух задатчиков 26 и 27 уровней ток, двух компараторов 28 и 29, двух д фференцирующих цепей, выполненных на к нденсаторах 30 и 31 и резисторах 32 и,33, триггера 34 и схемы И 35. !

Перед началом работы подключается э! ектропитание и подбираются нужные параметры сварочного тока, а именно среднее

) з!<ачение сварочного тока (задатчиком 21), ч стота импульсов сварочного тока (задатчнком 24) и диапазон пульсации (задатч1 ками 26 и 27). При включении электропитания напряжение сети подается на т1 ехфазный трансформатор 1, на осциллятфр 6 и на универсальный блок стабил Изаторов напряжения (не показан) . От этог< блока осуществляется питание элемент<>в 15 — 17, 21 — 29, 34 и 35.

С помощью осциллятора 6 (фиг. 1) з; жигается дуга в дуговом промежутке 5, после чего выход осциллятора шунтируетсй перемычкой 7. При закрытых модулятс!рах 3 и 8 питание дуги осуществляется от выпрямителя 2 через резисторы !

1 и 12. Сварка высокочастотными импульс !ми происходит при включении в опре20

55 деленные моменты времени модуляторов 3 и 8. ,цля уяснения принципа работы схемы управления этими модуляторами предварительно необходимо заметить следующее.

Ком паратор 25 построен таким образом, что на его выходе имеется единичный уровень напряжения (!-!гБ= 1) при U23(U22

При U23)14гг на выходе компаратора 25 имеется нулевой уровень напряжения (Uzs=

=О), Компаратор 28 построен таким образом, что на его выходе имеется нулевой уровень напряжения (Vga=0) при U4(Uz<;. При

U4)Uz<; на выходе компаратора 28 имеется единичный уровень напряжения (Usa=1).

Компаратор 29 построен таким образом, что на его выходе имеется единичный уровень напряжения (Uzi=I) при U4(Uz .

При U4)Ugy на выходе компаратора 29 имеется нулевой уровень напряжения.

В момент времени I=o (см. фиг. 2) выходное напряжение датчика тока 4 мало, так как ток сварки (!") равен току дежурной дуги. Следовательно, элементы блока управления находятся в следующих состояниях.

На входе компаратора 25 1= гз(-4гг, так как напряжение на выходе усилителясумматора 22 определяется задатчиком 21, следовательно на выходе компаратора 25 имеется единичный уровень напряжения, который поступает как на один из входов схемы И 35, так и на второй вход блока 17 поочередного переключения каналов управления модуляторами. Последний в это время находится в состоянии, когда сигналы с его первого входа (I) передаются на первый выход (I ), а сигналы с второго входа (II) — на второй выход (I I ) . Итак, единичный уровень напряжения с выхода компаратора 25 проходит через второй вход на второй выход блока 17 поочередного переключения каналов управления модуляторами через второй усилитель 16 и открывает второй модулятор 8.

На входе компаратора 28 U (V<;, поэтому на его выходе нулевой уровень напряжения (U»=0). Этот уровень через дифференцирующую цепь (30, 32) попадает ча R-вход триггера 34.

На входе компаратора 29 U<(U r, поэтому на его выходе единичный уровень напряжения (1Зг9=1), При возникновении этого уровня дифференцирующая цепь (31, 33) вырабатывает и подает íà S-вход триггера 34 остроконечный экспоненциальный положительный импульс. Поэтому на выходе триггера 34 появляется единичный уровень напряжения (Vq4 — — 1), который, проходя через схему И 35, через первый вход на первый выход блока 17 поочередного переключения каналов управления

1407720 модуляторами и через первый усилитель 15, открывает первый модулятор 3.

Итак, оба модулятора открыты, напряжение с выхода выпрямителя 2 приложено к дуговому промежутку 5, поэтому сварочный ток (1.) начинает нарастать, соответственно нарастает и выходное напряжение датчика тока 4 (1)4)При превышении напряжением U4 уровня выходного напряжения задатчика 27 (147) в момент времени ti компаратор 29 изменяет свое состояние и на его выходе появляется нулевой уровень напряжения (Uzq=

=О). Как только возникает этот уровень, дифференцирующая цепь (31, 33) вырабатывает и подает на вход триггера 34 отрицательньей импульс. Этот импульс не может изменить состояние триггера 34, поэтому сварочный ток продолжает нарастать до своего максимального значения (1свииакс) .

При этом в момент времени 1> U становится равным U2, поэтому на выходе компаратора 28 появляется единичный уровень напряжения (14 =1). При возникновении этого уровня дифференцирующая цепь (30, 32) вырабатывает и подает на

R-вход триггера 34 положительный импульс, на выходе триггера появляется нулевой уровень напряжения (1)з4=0). Так как на входах схемы И 35 теперь разные уровни напряжения, то на ее выходе получается нулевой уровень напряжения, который, проходя через первый вход на первый выход блока 17 поочередного переключения каналов управления модуляторами и через первый усилитель 15, закрывает первый модулятор 3.

Так как в распределенной индуктивности сварочного контура накоплена определенная энергия, то сварочный ток, сохраняя свое направление, начинает убывать, протекая по цепи 5 — 7 — 8 — 10 — 4 — 5. Убывает и напряжение Ь.е, которое быстро становится меньше, чем 14 6 (Ь4(116). Следовательно, на выходе компаратора 28 восстанавливается нулевой уровень напряжения (14ц=0) .

При этом дифференцирующая цепь (30, 32) вырабатывает и подает на R-вход триггера 34 отрицательный импульс, который не изменяет состояние триггера. Сварочный ток

1-, а вместе с ним и напряжение Uq продолжают убывать, пока в момент времени t U4 не станет равным 14у, а 1" не достИГНЕт СВОЕГО Е )ИНИ>МаЛЬНОГО ЗНаЧЕНИЯ 1св.мии.

Компаратор 29 изменяет свое состояние и на его выходе появляется единичный уровень напряжения (149=1). При возникновении этого уровня дифференцирующая цепь (31, 33) вырабатывает и подает íà S-вход триггера 34 положительный импульс, поэтому на выходе триггера появляется единичный уровень напряжения (Ь;еи=1), который, проходя через схему И 35, через первый вход на первый выход блока 17

55 поочередного переключения каналов управления модуляторами и через первый усилитель 15, открывает первый модулятор 3.

Теперь оба модулятора открыты, напряжение с выхода выпрямителя 2 приложено к дуговому прохеежуткУ 5, поэтому сварочный ток (1-) начинает возрастать, соответственно нарастает и выходное напряжение датчика 4 тока (U4). При превышении напряжения U. уровня выходного напряжения задатчика 27 (1 >-,) компаратор 29 изменяет свое состояние и на его выходе появляется нулевой уровень напряжения (Ugg=0). Как только возникает этот >ровень, дифференцирующая цепь (31, 33) вырабатывает и подает íà S-вход триггера

34 отрицательный импульс. Этот им ее л ьс не может изменить состояние триггера 34, поэтому сварочный ток продолжает нарастать.

Дальнейший процесс формирования импульса сварочного тока происходит как описано выше. При этом второй модулятор 8 постоянно открыт, а первый модулятор 3 включается и выключается, не позволяя сварочному току I„становится меньше минимального значения (I „) и больше максимального значения (I ).

Во время протекания импульса сварочного тока на интегрирующей цепи (19, 20) осуществляется суммирование напряжения

U<. На выходе усилителя-сумматора 22 получается убывающее напряжение (U» ), равное разности выходного напряжения задатчика 21 и возрастающего напряжения с выхода интегрирующей цепи. В мочеHl времени t< U становится равным выходному напряжению генератора 23 (U>, ), которое автоматически нарастает от нулевого значения. Следовательно. на выходе компаратора 25 появляется нулевой уровень напряжения (U .-=О), которое поступает как на один из входов схемы И 35, так и на второй вход блока 17 поочередного переключения каналов управления модуляторами.

Итак, нулевой уровень напряжения с выходов компаратора 25 проходит черсз второй вход на второй выход блока 17 поочередного переключения каналов управления модуляторами, через второй усилитель

l6 и закрывает второй модулятор 8. В то же время на выходе схемы И 35 появляется нулевой уровень напряжения (Е.;;=

=О), которое проходит через Hcðâûé е3хо;е на первый выход блока 17 поочередного переключения каналов управления модуляторами, через первый усилитель 15 и закрывает первый модулятор 3. Так как в распределенной HHëóêòèâíîñòè сварочного контура накоплена определенная эícðãèÿ, то сварочный ток, сохраняя свое напра»ление, начинает убывать, протекая I10 цепи

5 — 7 — 9 — 13 — 1Π— -4 — 5 до тех пор, пока

1407720

5 !

О !

ЗО

55 е станет равным току дежурной дуги (! ..). Убывает и напряжение !4, которое начала становится равным U» (в мо-! мент времени ts), а затем меньше, чем (3 . Таким образом, компаратор 29 изменяет свое состояние и на его выходе

)появляется единичный уровень напряжения (Upg=l). При возникновении этого уровня ифференцирующая цепь (31, 33) вырабаывает и подает на S-вход триггера 34 оложительный импульс, поэтому на выходе риггера появляется единичный уровень апряжения (Uq<= 1), который подается на дин из входов схемы И 35. Однако, ак как на другом входе схемы И 35 нулеой сигнал, то на ее выходе также сохраняетя нулевой уровень напряжения.

Как только сразу на двух входах лока 17 поочередного переключения каназов управления модуляторами появляются улевые уровни напряжения, он изменяет вое состояние, т. е. в момент времени ,4 блок 17 переходит в состояние, когда игналы с его первого входа будут переаваться на его второй выход, а сигналы второго входа — на первый выход.

В момент времени tg импульс сварочого тока заканчивается, а следующий мпульс начинается лишь в момент времеи tq, когда 11>> станет больше, чем 3. 3а время t4 — t выходное напряжение енератора 23 треугольных импульсов (Uq! втоматически достигает максимума и начиает убывать. 3а то же время (4 — I ) апряжение на выходе усилителя-сумматора

2 (Uzz) возрастает, так как убывает

ыходное напряжение интегрирующей цепи

19, 20).

В течение протекания следующего имульса сварочного тока работа устройства ало чем отличается от описанной. Однао, так как блок 17 поочередного перелючения каналов управления модуляторами зменяет свое состояние, то теперь уже первый модулятор 3 постоянно открыт, а торой модулятор 8 включается и выключается, не позволяя сварочному току (1") становиться меньше минимального

Значения (!св чпн) и больше MBKcHMBëüHÎÃÎ

: начения (! ..- ). Это будет продолжать .я до тех пор, пока Ugq снова не станет равным U» в момент времени t>.

К этому моменту закрываются оба моДулятора 3 и 8, заканчивается текущий

Импульс сварочного тока и блок 17 поочередного переключения каналов управления модуляторами изменяет свое состояние, е. в момент времени 1< он снова переходит в состояние, когда сигналы с его первого входа будут передаваться на первый выход, а сигналы с второго входа ! а второй выход. На этом заканчивается полный цикл работы установки. Далее ти циклы повторяются до окончания процесса сварки.

Блок 17 поочередного переключения каналов управления модуляторами состоит из двух логических элементов И-НЕ, используемых в качестве инверторов (Дl.l, Д1.2), семи логических элементов И-HE (Д1.3, Д3.1 — ДЗ.З, Д4.1 — Д4.3), примененных по их прямому назначению, и 1 — К-триггера, преобразованного в Т-триггер (Д2.1) (фиг. 3) .

При включении электропитания, от универсального блока стабилизаторов напряжения положительный потенциал +25 В подается на шины 14 питающего напряжения интегральных микросхем (фиг. 3) и делитель Rl, К2 напряжения. Так как вначале процесса сварки при формировании первого сварочного импульса не существенно каким модулятором 3 или 8 формирует ся диапазон значений 1- ..„1"..- (фиг. 2), предположим, что блок поочередного переключения каналов управления модуляторами имеет состояние, при котором сигналы с его первого входа передаются на усилитель 15, а сигналы с второго входа на усилитель 16. Чтобы это происходило, необходимо сформировать логическую «1» на выходе 6 и логический «О» на выходе

5 триггера Д2.1. Переключение в указанное положение триггера происходит от элемента Д1.3 под действием фронта входного сигнала от 1 к О, когда на выходе 6 элемента Д1.3 формируется логический «О».

В свою очередь, переключение Д 1.3 с уровня «1» в «О» возможно только при появлении «!» сигналов на выходах инверторов Д l. l и Д1.2, которые создаются после прекращения подачи импульсов управления на выходы блока 18.

В момент времени О, когда возникают импульсы управления с блока 18, элемент

Д1.3 переключается с «О» в «1», но этот переход не влияет на принятое в качестве исходного состояние триггера Д2.1.

Используя таблицу истинности для логического элемента И-НЕ, можно построить временные диаграммы работы логических элементов Д3.1 — ДЗ.З, Д4.1 — Д4.3 в период

0- — !.ь Они представлены в виде напряжений, соответствующих логическим «1» и «0» на выходах элементов схемы блока поочередного переключения каналов управления модуляторами 17 (фиг. 4) .

В момент времени tg, когда одновременно выключаются управляющие напряжения в обоих выходов блока 18, инверторы Р l. l u D 1.2 формируют на своих выходах 8 и 12 логическую «1», которая, в свою очередь, создает логический «0» на выходе D1.3 и тем самым переключает

Т-триггер, созданный на элементе D2.1, в состояние с противоположными значениями сигналов по отношению к принятым. Таким образом, выход 6 имеет логи ческий «О». а выход 5 — логическую

«1». На основе таблицы истинности для ло1407720 гического элемента И-НЕ можно построить временные диаграммы работы логических элементов D3.1 — D3.3, D4.1 — D4.3 в период

t7 — t8 (фиг. 4).

В момент t8 блок поочередного переключения каналов управления модуляторами переключается в положение, с которого начато рассмотрение его работы.

Схема позволяет составлять оба модулятора из равного числа транзисторов.

Модуляторы работают в режиме повышенной нагрузки попеременно, появляется возможность снизить общее число транзисторов, следовательно значительно упрощаются схемы, обеспечивающие согласованность работы транзисторов каждого модулятора.

Формула изобретения

Высокочастотный источник питания для дуговой сварки, содержащий последовательно соединенные источник постоянного тока, первый модулятор,. датчик тока, дуговой промежуток, осциллятор и второй модулятор, а также два диода, первый из которых катодом подключен к точке соединения положительной клеммы источника с первым модулятором, а анодом — к точке соединения осциллятора и второго модулятора, второй же диод анодом подключен к отрицательной клемме источника, а катодом — к точке соединения датчика тока и первого модулятора, причем модуляторы зашунтированы соответственно первым и вторым резисторами, а источник постоянного тока — первым конденсатором, второй же конденсатор включен между анодом первого диода и точкой соединения датчика тока и дугового Ilpoмежутка, при этом модуляторы управляются схемой, состоящей из двух усилителей

10 и блока управления, выполненного с одним входом и двумя выходами, вход блока управления соединен с выходом датчика тока, выход первого усилителя соединен с управляющим входом первого модулятора, а выход второго усилителя соединен с управляющим входом второго модулятора, отличающийся тем, что, с целью снижения габаритов и уменьшения мощности, потребляемой силовыми модуляторами, в него введен блок поочередного переключения каналов управления модуляторами, выполненный с двумя входами и двумя выходами, причем его первый вход соединен с первым выходом блока управления, его второй вход — с вторым выходом блока управления, а первый и второй выходы блока поочередного переключения каналов управления модуляторами соединены соответственно с входами первого и второго усилителей.

М и„

О 25 о и, О 29

О и „

О

tLgg

О аЕ

0 иБ

"гг асс

UH

Уэ1. 2 иг 2.> йж1 Р4 3 ь1 2 4 Е б 5

Составитель В. Бродягин

Редактор Н. Гунько Техред И. Верес Корректор Л. Пилипенко

Заказ 3253/16 Тираж 921 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 1 3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная. 4