Источник питания для дуговой сварки

 

Изобретение относится к машиностроению ,в частности, к сварочному производству, и может быть использовано в источниках питания для дуговой сварки. Цель изобретения - расширение технологических возможностей и повышение качества сварного соединения при регулировании процесса сварки путем плавного изменения величины и знака крутизны статической вольт-амперной характеристики. Источник питания для дуговой сварки содержит преобразователь энергии, блок управления с цепями обратной связи по току и напряжению дуги и блок задания крутизны характеристики. Блок управления обеспечивает работу источника питания с настройкой оптимальной крутизны характеристики при сварке с автоматическим устранением отклонения тока, напряжения дуги от заданных значений. Одновременно производится отработка возмущений по току и напряжению дуги в соответствии с текущим значением оптимизируемого параметра. Качество формирования сварного шва повышается путем оптимизации крутизны вольт-амперной характеристики непосредственно в процессе сварки. 3 ил.

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (SD В 23 К 9/00

3ЫИЮЗНй

Пцщтн А мМЬ."" р

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

E, г ЯЯД, Г,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ fHHT СССР

1 (21) 4361762/31-27 (22) 08.01.88 (46) 30.07.89. Бюл. Р 28 (71) Московский авиационный институт им. С.Орджоникидзе (72) Н.Г.Синельников, А.И.Ванин, M.Ä.Èâàíoâ, Л.A,Ñìèðíîâ и А.M.Рыжов (53) 621.791.75.03-52 (088.8) (56) Заявка Японии Н - 59-39472, кл. В 23 К 9/00, 1984. (54) ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ

СВАРКИ (57) Изобретение относится к машиностроению, в частности к сварочному производству, и может быть использовано в источниках питания для дуговой сварки, Цель изобретения — расширение технологических возможностей и повышение качества сварного соединения при регулировании процесИзобретение относится к машиностроению и предназначено для использования в источниках питания для дуговой сварки.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей и повышение качества сварного соединения при регулировании процесса сварки путем плавного изменения величины и знака крутизны статической вольт-амперной характеристики.

На фиг,1 представлена функциональная схема источника питания для дуговой сварки; на фиг.2 — пример выполнения переключателя;на фиг.3 вариант исполнения задатчиков тока и напряжения дуги.

„„80„„ 1496943

2 са сварки путем плавного изменения величины и знака крутизны статической вольт-амперной характеристики, Источник питания для дуговой сварки содержи преобразователь энергии, блок управления с цепями абратной ,связи по току и напряжению дуги и блок задания крутизны характеристики, Блок управления обеспечивает работу источника питания с настройкой оптимальной крутизны характеристики при сварке с автоматическим устранением отклонения тока, напряжения дуги от заданных значений, Одновременно производится отработка возмущений по току и напряжению дуги в соответствии с текущим значением оптимизируемого параметра, Качество формирования сварного шва повышается путем оптимизации крутизны вольтамперной характеристики непосредственно в процессе сварки.3 ил, Источник питания для дуговой сварки (фиг.1) содержит преобразователь

1 энергии, датчик 2 тока, датчик 3 напряжения дуги, задатчики 4 тока и 5 напряжения дуги, выходы которых соединены соответственно с первыми входами первого 6 и второго 7 узлов рассогласования, вторые входы которых соединены соответственно с выходами датчиков 2 тока и 3 напряжения дуги. Выходы первого 6 и второго 7 узлов рассогласования подключены соответственно к первому и второму входам блока 8 задания крутизны характеристики, первый и второй регулируемые выходы которого соединены соответственно с первым и вторым неин1496943

3 ьертирующими входами сумматора 9,. выход которого соединен с входом блоа 10 формирования управляющего сигнала, выход которого соединен с управляющим входом преобразователя 1 энергии, Кроме того, источник питания содержит преобразователь 11, выходы с первого по четвертый которого соединены соответственно с входами с второго по пятый задатчика 4 тока, а выходы с пятого по восьмой — соответственно с входами с второго по пятый задатчика 5 напряжения дуги, выход которого соединен также с третьим неинвертирующим входом сумматора 9, четвертый и пятый инвертирующие входы которого соединены состветственно с третьим и четвертым нерегулируемыми выходами блока 8 зада- 2О ния крутизны характеристики, Первый вход 12 задатчика 4 тока соединен с выходом датчика 2 тока, а первый вход 13 задатчика 5 напряжения связан с выходом датчика 3 напряжения 25 дуги.

Переключатель 11 (фиг.2), служащий для управления работой задатчиков 4 тока и 5 напряжения, снабжен первой 14, второй 15, третьей 16 и .-ытвертой 17 кнопками с нормально разомкнуть|ми контактами, пятой кнопкой !

8 с переключающими контактами, первым реле 19 с переключающим первым контактом 20, второе реле 21 со вторым 22 и третьим 23 нормально разомкнутыии контактами, третье реле 24 с четвертым 25 и пятым 26 нормально замкнутыми контактами. Обмотки второго 21 и третьего 24 реле зашунти.4о рованы конденсаторами и последовательно с этими обмотками, а также с обмоткой первого реле 19 установлены ограничительные сопротивления, Переключатель 11 имеет две группы с первого по четвертый 27-30 и с

45 пятого по восьмой 31-34 выходов, 3адатчики 4 тока и 5 напряжения дуги

1 .являются конструктивно идентичными.

Задатчик 4 тока (фиг.3) имеет первый 35, второй Зб и третий 37 повторите- 5О ли напряжения на операционных усилителях, на микросхемах, четвертое реле 38 с шестым нормально разомкнутым контактом 39, первый 40 и второй 41 конденсаторы, пятое реле 42 с седьмым нормально разомкнутым контактом

43, шестое реле 44 с восьмым нормально разомкнутым контактом 45 и седьмое реле 46 с девятым нормально разомкнутым контактом 47. Узла 6, 7 рассогласования представляют собой дифференциальные усилители с единичными коэффициентами усиления. Коэффициенты передачи нерегулируемых делителей блока 8 задания крутизны характеристики равны 0,5, а регулируемых— способны изменяться от 0 до 1. Сумматор 9 имеет следующие коэффициенты передачи: по первому и второму входам равный 2, по инвертирующим четвертому и пятому входам равный — 2, nd третьему входу имеет значение

1 где К и К вЂ” коэффициенты пеКеК з

Ъ редачи элементов 1, 10 и 3 схемы.

Работа источника питания рассматривается в установившихся состояниях, поэтому инерционные свойства звеньев не учитываются, После подачи в источник питания для дуговой сварки питающего напряжения сети срабатывает четвертое реле

38 в задатчиках 4, 5 тока и напряжения и подключает первый конденсатор

40 к выходу первого повторителя 35, На выходе узлов 6, 7 рассогласования напряжение равно нулю, так как задатчики 4, S тока и напряжения не формируют сигналов иэ-за разряженных вторых конденсаторов 41, и на выходах датчиков 2 тока и 3 напряжения отсутствует напряжение вследствие равен— ства U =О. Условимся значениям выfO ходных напряжений элементов схемы присваивать номер этого элемента.

Предположим, что источник питания для дуговой сварки настраивается для выполнения сварки вольфрамовым электродом в инертных газах. В этом случае процесс возбуждения дуги легче осуществляется на возрастающей характеристике. Координаты центра вращения характеристики в осях ток— напряжение дуги задают с помощью с первой по четвертую кнопок 14 — 17 (Фиг,2), при этом на выходах задатчиков 4, 5 тока и напряжения формируются напряжения U4 и U . Если сделать

U, О, то центр вращения характеристикй будет маходиться на оси токов и координата ego I = — где К вЂ” коэфU<

К z фициент передачи датчика 2 тока.

Будем считать, что элементы схемы представлены пропорциональными звеньями с индексами, соответствующими

1496943 6 выбранной по другому критерию, оптимизации, например геометричег.ким параметрам шва, Чтобы выявить оптимальнук крутизну и фазе плавления крамок, формирования шва, необходимо плавно изменять величину и знак крутизны характеристики, причем это изменение дол10 жно происходить в неподвижной рабочей точке процесса. Также необходимо, чтобы система регулирования выходных параметров источника питания продолжала сохранять свою способность отрабатывать возмущения в соответствии с тем текущим значением крутизны, У1 которое было в момент действия возмущения.

Выполнить указанные условия можно нажатием пятой кнопки 18 переключатеномеру каждого конкретного звена, а коэффициент передачи блоков 1, 10 обозначим К. Запишем выражение для сигнала управления U при замкнутых электродах источника питания:

П9-2 Я8 Ц )-Уь И (1) где йндексы Й и Т свидетельствует о том, что сигнал принадлежит цепи обратной связи по напряжению дуги, цепи обратной связи по току соответ ственно: и8"=К8" К 0,, П,=К,(К, Т -П,),(г) где К8 и К вЂ” коэффициенты передачи соответственно цепей обратной связи по нап ряжению дуги и по ток

I - ток сварочной дуги.

Из фиг.1 следует, что:

Пб К1 I) Пф ь U7=Kъ U! э (3)

U =2(Ке К U1+Кь(К I Б4)1 К I +

4 или

Б =К1(2К8 1)U, +(2Кв 1) (K I)-U4) . (4)

Так как Б,=К 0, тогца

U,=K(К (2К -1)U, +(2К8-1)(Кг

-V<)) . (5)

Уравнение характеристики будет иметь вид:

К K (2Kâ-1)

U — — — — — — I

I н

1-К К (2К -1)

К(2К -1) (6) П4 °

1-К КЗ(2К8-1) . Оптимальная крутизна этой хазактеристики в фазе возбуждения дуги часто не удовлетворяет условиям . плавления и формирования сварного шва, что требует работы оборудования на другой, оптимальной крутизне, 55

1-К К (2К -1)

При постоянных значениях К,К,К крутизна статической вольтамперной характеристики задается измененИем коэффициентов К8 и Ка. т н

После разведения электродов возбудится дуга и сформируется на указанной характеристике рабочая точка А. В этом случае напряжение дуги и ток дуги будут взаимосвязаны по выражению (2K8-1)

U I

А, ц Д

1-.К К5 (2K -1)

K(2K -1) 25

50 ля 11 (фиг.2) и подстройкой коэффициентов К и К8. До нажатия кнопки т н

18 на первых конденсаторах 40 задатчиков 4, 5 тока и напряжения происходит выборка сигналов с датчиков

2 тока и 3 напряжения дуги. После нажатия и отпускания пятой кнопки 18 срабатывает первое реле 19 и блокируется первым контактом 20. Четвертое реле 38 размыкает шестой контакт

39 задатчиков 4, 5 тока и напряжения.

Первый конденсатор 40 запоминает входной сигнал в момент размыкания шестого контакта 39. Через время Ьй определяемое RC-цепочкой, подключенной к обмотке второго реле 2 1, последнее срабатывает и замыкает второй

22 и третий 23 контакты, В результате срабатывает пятое реле 42 задатчиков 4, 5 тока и напряжения. Пятое реле 42 замыкает седьмой контакт 43, и в задатчиках 4, 5 тока и напряжения сигналы с первых конденсаторов 40 переписываются на вторые конденсаторы

41. Через время gt определяемое

RC-цепочкой, подключенной к обмотке третьего реле 24, последнее срабатывает, что приводит к размыканию четвертого 25 и пятого 26 контактов.

Первое реле 19 отключается и возвращает первый контакт 20 в исходное состояние.

Через время Лаз, определяемое емкостью, подключенной к обмотке второго реле 21 и сопротивлением этой обмотки, выключается второе реле 21 и размыкает второй 22. и третий 23 контакты. В результате отключаются обмотки пятого реле 42 задатчиков 4, 1496943 8

8 8()» 8 8

) ° (T! u

U — — U +2U +2U -2-9 КК> 5 8 8 2

U т и

=-К +2К К (Т -ZA)+2K К

-К б I +K2IA-К Ц, +K>UA.

Так как О! К П9 то

К К2(2К8 ) ке

Н

K K5(K8

К К, (1-2К,}

+ — — - I н

1 K K3(2K8 1) 7 Ъ 8

U

2 (U -Бд) + UA+ (12) 40

5 тока и напряжения и> .следовательно

1 размыкается седьмой контакт 43. Задатчики 4, 5 тока и напряжения переводятся в режим хранения напряжения

5 записанного на втором конденсаторе

41. Через время gt определяемое емкостью, подключенной к обмотке третьего реле 24 и сопротивлением этой, обмотки, выключается третье реле 24 и замыкает четвертый 25 и пятый 26 контакты. В результате срабатываетчетвертое реле 38, замыкает шестой контакт 39, и задатчики 4, 5 тока и напряжения переходят в режим выборки входного напряжения на первом конденсаторе 40. Схема возвращается в исходное состояние. Доказательством неизменности положения рабочей точки

А после нажатия и отпускания пятой 2О кнопки 18 может служить следующее выражение:

9 в (8) где U — сигнал управления при горя1 ! щей дуге после срабатывания пятой кнопки 18.

Штрихом будем отмечать сигналы после срабатывания пятой кнопки 18.

П =К I U =K U — это координа4 . 2, .Д $ 3 A ты нового .центра вращения характерис- З0 тики, который совпадает с рабочей т точкой А Так как Цб =О, U7 =Os Ов=о, U =О, то i 1 UA

U- =— — —.U= — — ° К U=— (9)

9 К К, K Kç Э > K 35

Докажем, что U =У .

Определим ток 1 из соотношения

7 и

Н

Ф-К К (2К -1)

3 8

I -" — — — — — — - U+ —.U (10)

A т " К 4

К К,(2К,-1)

Подставйм значение тока IA,as соотношения {10) в выражение (4} для

U, получим:

Up=Kg (2Ê8-1) UA+(2K8

1-К. К (2К -1) К вЂ” — — — — U + U -(2K -1)U -=

2 .-. . . - < К 4 8 4

K К (2К -1 2.

UA

К что и требовалось доказать.

Определим вид статической вольтамперной характеристики, которая сформировалась после задания. нового центра вращения:

О4 К2ТА у U g КЗ ЪАъ

Пь К I K2IA U>=K U< K>UAs

Сравнение соотношения (12) с соотношением (7), связывающим ток и напряжение дуги в рабочей точке А, показывает, что уравнения имеют одинаковые коэффициенты при аргументах

1 н..1Е. Докажем, что свободные члены авнейнй одннаковы. Двв этого нспользуем ранее полученное выражение (7) для 04 и подставим его в выражение для свободного члена в уравнении (12):

К К2(2К8-1) K(2K -1)

IA U

1-K К 3 (2К8-1) 1-K К З(2К 8-1)

К К (2К8-1) К(2К8 1}

IA U

1-К Кд (2К8-1) 1-К Кд (2К8-1)

Следовательно, полученное выраже-! ние для Б графически представлено ранее полученной характеристикой, Докажем, что уравнения характеристик U =f(I ) и U<=f(Ia) независимо

I б Т И от значении коэффициентов К8 и Ка будут пересекаться в одной рабочей точке с координатами UA,IA. Для

I l этого в уравнение Б, =f(I ) вместо подставим значение I

K К2(2К -1)

П4

1 A

1-К К (2К8-1)

К К2(2К 8-1)

А

1-К Кд(2К -1)

8

U = Ug, Тангенс угла наклона статической вольт-амперной характеристики источника питания к оси тока будет равен:

1496943

5

15

35

55

К К,(гК,-1)

1-К К (2K -i )

3 8

Необходимо отметить, что система регулирования источника питания становится неустойчивой при одновременном действии сигналов положительной обратной связи по току и положительной по напряжению. Дпя формирования строго вертикальной характеристики движок правого делителя напряжения блока 8 задания крутизны характеристики 8 (фиг.1) устанавливают в верхнее положение, а движок левого делителя напряжения переводят в положение немного выше среднего, при этом чем больше К, тем меньше величина н Ц

К - 0,5, Увеличение К8 будет приводйть к формированию характеристики с положительной крутизной. Для формирования строго горизонтальной (жесткой) характеристики движок левого делителя напряжения блока 8 задания крутизны характеристики устанавливают в нижнее положение, а движок правого делителя напряжения переводят в положение немного ниже среднего, при этом чем больше К, тем меньше величина К8 — 0,5. Увеличение К будет

r т приводит к формированию характеристики с положительной крутизной.

В качестве преобразователя 1 энергии может быть использован мощный преобразователь энергии с полупроводниковым регулятором тока, Его "естественная" характеристика должна быть жесткой. От жесткости этой характеристики будет зависеть точность работы системы. Повысить жесткость характеристики обычного полупроводникового регулятора можно коррекцией коэффициента передачи К, пропорционального сварочному току, В качестве датчика

2 тока и датчика. 3 напряжения дуги используют шунт и резисторный делитель напряжения при сварке постоянным током. При сварке пульсирующим током или при сварке переменным током датчика тока и напряжения должны включать в себя интегрирующие, детектирующие цепи.

Экспериментальные исследования источника питания для дуговой сварки в виде смакетированных блоков и устройств, подключенных через ПИМ-модулятор к преобразователю энергии с транзисторным регулятором, показали, что он обеспечивает получение сварных соединений иэ стали 012Х18Н10Т толщиной 0,1-0 5 мм с плавным изменением величины и знака крутизны статической вольт-aMnepvoA характеристики, Это позволяет непосредственно в процессе сварки оптимизировать крутизну характеристики с одновременной отработкой возмущений по току и напряжению дуги в соответствии с текущим значением параметра оптимизации, а следовательно, повысить качество формирования сварного шва.

Формула изобретения

Источник питания для дуговой сварки, содержащий преобразсватель энергии, датчики тока и напряжения дуги, выходы которых соединены соо. ветственно с первыми входами задат--чиков тока и напряжения дуги, выходи которых соединены соответственно с первыми входами первого и второго узлов рассогласования, вторые входы

25 которых под,ючены соответственно. к выходам датчиков тока и напряжения дуги, выходы первого и второго узлов рассогласования подключены соответственно к первому и второму входам

| блока задания крутизны характеристики, первый и второй регулируемые выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом блока формирования управляющего сигнала, выход которого соеди" нен с управляющим входом преобразователя энергии, о т л и ч а ю щ : A— с я тем, что, с целью расширения технологических возможностей и повышения качества сварного соединения при регулировании процесса сварки путем плавного изменения величины и знака крутизны статической вольтамперной характеристики, он содержит переключатель, сумматор выполнен пятивходовым, блок задания крутизны характеристики снабжен дополнительно двумя нерегулируемыми делителями напряжений тока и напряжения дуги, причем выходы переключателя с первого по четвертый соединены соответственно с входами с второго ro пятый за.датчика тока, а выходы переключателя с пятого по .восьмой — соответственно с входами с второго по пятый задатчика напряжения дуги, выход которого соединен с третьим входом сумматора, четвертый и пятый инвертирующие вхоll 1496943 ) ды которого соединены соответственно ми выходами блока задания крутизны с третьим и четвертым нерегулируемы- характеристики, 1496943

Р8

29

ЗО

12(!

27(У1)

28(Ëj

29(33) зо(з )

Фаг. 3

Составитель В.Пучинский

Редактор М,Циткина Техред M.Õîäàíè÷ Корректор М,Демчик

Заказ 4374/15 Тираж 894 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãoðoä, ул. Гагарина,101