Устройство для дуговой сварки

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц5 В 23 К 9/00, 9/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4809299/08 (22) 02.04.90 (46) 23.07.93. Бюл. М 27 (71) Институт электросварки им. Е.О.Патона (72) А.А.Рубцов, В.В,Дыменко и В.И.Болотько (73) Институт электросварки им. Е.О,Патона (56) Авторское свидетельство СССР

t+ 1041248, кл, В 23 К 9/00, 1983.

Авторское свидетельство СССР

М 1076227, кл. В 23 К 9/00, 1983.

Сварка в машиностроении, Т. 4, Под ред. lO.Н.Зорина. — M,: Машиностроение, 1979, с. 84, рис. 51. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Изобретение относится к сварочной технике и может быть использовано как источник питания для дуговой автоматической, полуавтоматической и ручной дуговой сварки плавящимся электродом.

Цель изобретения — улучшение качества сварки, возможность осуществления плавного регулирования режима сварки без пропусков тока, повышение стабильности процесса сварки, расширение сварочнотехнологических возможностей и уменьшение массогабаритных и энергетических показателей устройства.

Поставленная цель достигается тем. что зарядные цепочки с последовательно соединенными диодом и конденсатором закорачивают вторичную обмотку, причем к общим точкам свободных концов полуобмоток и силовых тиристоров одна зарядная.SU, 1829989 АЗ (57) Использование: изобретение относится к электротехнике, в частности к электрооборудованию для дуговой сварки. Сущность изобретения: устройство содержит трансформатор с двумя полуобмотками вторичной обмотки и силовые тиристоры s свободных концах полуобмоток, Дуговой промежуток подключен к общей точке полуобмоток и к общей точке силовых тиристоров, Две зарядные цепочки содержат последовательно включенные диоды и конденсаторы, две разрядные цепочки — последовательно включенные диоды и конденсаторы. 8 з,п. ф-лы, 8 ил. цепочка подключается одноименным с ти- (Я ристором электродом диода, а другая — свободной пластиной конденсатора, а общие точки конденсатора и диода зарядных цепо- а чек соединены разрядными цепочками, состоящими из диода и дросселя, с общеР точкой силовых тиристоров, причем тири. а сторы и диоды соединены через дроссел Q() одноименными электродами; зарядные цепочки, состоящие из конденсатора и диода, закорачивают полуобмотки, причем электрод силового тиристора соединяется с одноименным электродом диода; разрядные О цепочки, состоящие из диода и дросселя, имеют общий дроссель; в разрядную цепочку вместо дросселя включен резистор; в разрядных цепочках последовательно с дросселем включен резистор; управляющие электроды силовых тиристоров через диоды,1829989 и конденсаторы соединены с электродом оптатиристора, 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 токоограничивающий 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, и ричем, 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 в силовой цепи диоды на тиристоры и осуществить, плавное регулирование режима сварки, Наличие тиристоров в сварочной цепи дает принципиальную возможность расширить технологические свойства установки. осу-. ществить 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 эакороченной 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 4, 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

5 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

10 разрядную цепочку с диодом 14 и дросселем

15,.а также блок управления 16 силовыми тиристорами 5 и 6.

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

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.

Устройство на фиг. 6 содержит все элементы, например, схемы фиг. 4, а также цепочку, состоящую иэ диода 18, конденсатора.19, резистора20, конденсатора 21, резистора 22, диода 23, соединяющую

25 управляющие электроды силовых тиристоров 5 и 6, оптотиристор 24, соединяющий общую точку конденсаторов 19 и 21 и общую точку полуобмоток 2 и 3, светодиод 25 оптотиристора 24, расположенного в диагонали

30 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 кон35 денсатора 31, нерегулируемого резистора

32 и регулируемого резистора 30.

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

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

На фиг. 7 приняты обозначения: i<—

45 максимальный ток дуги, создаваемый за счет полуобмоток 2 и 3 при полностью открытых тиристорах 5 и 6 при условии, что зарядные конденсаторы отключены: lg — ток зарядки и разрядки конденсаторов заряд50 ных цепочек;!з — суммарный максимальный ток дуги, создаваемый за счет тока от полуобмоток и тока зарядки и разрядки конденсаторов зарядных цепочек; 14 минимальный ток дуги, создаваемый за счет

55 полуобмоток 2 и 3 при полностью закрытых тиристорах 5 и 6 при условии, что зарядные конденсаторы отключены; lg — суммарный минимальный ток.дуги, создаваемый за счет тока от полуобмоток и тока зарядки и разрядки конденсаторов зарядных цепочек: l829989

)д,min — 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: 02 = f(t4) — начальный участок ВАХ устройства, полученный от раз ряда конденсаторов 8 и 11 (тонкой линией продлена эта характеристика до пересечения с осью абсцисс — минимальный ток дуги, который должны обеспечивать эти конденсаторы и который должен быть не менее 5 ...

10 A); 0з = f(tg) — участок ВАХ, полученный при полностью закрытых тиристорах 5 и 6 (сварка идет от полуобмоток 2 и 3 через разрядные цепочки); U > =- фз) — участок ВАХ, полученный при полностью открытых тиристорах 5 и 6. Прямая а-Ь соединяет точки минимального и максимального рабочих режимов BAX 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 6 и к дуговому промежутку 7 приложится попусинусоида положительной полярности на электроде от полуобмотки 3 и через дуговой промежуток должен бы потечь ток i<, как изображено на фиг. 7 (при условии, что конденсаторы 8 и 11 как бы отключены). Но на ток от полуобмотки 3 будет накладываться ток tz разряда конденсатора 8 — фиг, 7, эпюра t2. В описываемый полупериод конденсатор 8 зарядится через диод 9 до амплитудного значения напряжения обмотки 4. С уменьшением величины полуволны положительного напряжения 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 iz).

Ток tz 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!з результирующего тока фиг, 7). Время разрядки конденсатора

8 будет определяться величинами емкости

55 конденсатора 8 и индуктивности дросселя

15.

В следующий полупериод в начало обмотки 4 придет отрицательная полуволна 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.

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, 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 зажиганию дуги в нулевые значения напряжения.

Внешняя статистическая вольт-амперная характеристика устройства при полностью открытых тиристорах 5 и 6 изображена на фиг. 8 (характеристика 01 = f(ta). При этом устройство обеспечит максимальный режим нагрузки — смотри точку b на характеристике 0> Щз).

В другом режиме тиристоры 5 и 6 будут полностью закрыты. В этом случае при поступлении 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, Через дуговой промежуток 7 должен бы потечь ток l4, как изображено на фиг, 7, эпюра

l4. Внешняя статистическая характеристика установки в этом случае была бы Uz = f(l4)— фиг. 8. Но на ток i4 от полуобмотки 3 будет накладываться ток tz разряда конденсатора

8 (см. фиг. 7, эпюра tz). Конденсатор 8 через диод 9 заряжается до амплитудного значения напряжения обмотки 4. Как только полуволна положительного напряжения в начале обмотки 4 начнет уменьшаться, конденсатор 8 начнет дополнительно к полуобмот е 3 подпитывать током дугу, т.е, через дуговой промежуток пойдет результирующий ток — эпюра l5, фиг. 7, Разряд конденсатора 8 будет происходить по цепи: конденсатор 8, нижняя пластина которого зарядилась отрицательно — диод 14 — дроссель 15 — дуговой промежуток 7 — полуобмотка 2 — конденсатор 8. Внешняя вольт-амперная статистическая характеристика в этом случае будет 0з = f(ts). Ток tz разряда конденсатора 8 должен поддерживать горение дуги определенное время. Это время зависит от многих факторов: от величины сварочного тока, величины напрян<е

1829989

30 лярности

50 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 10 ... 10 с. Из этого условия рассчитываются величины емкости конденсаторов 8 и 11 зарядных цепей и индуктивности дросселей 13 и 15, т,е. энергии, запасенной в конденсаторах в предыдущем полупериоде, должно быть достаточно чтобы поддеоживать 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 6у,стройство будет иметь крутопадающую вольт-амперную характеристику: характеристика ОЗ =

=f(is) фиг. 8. При этом будет обеспечиваться минимальный режим нагрузок: точка а на этой кривой. Точки а и Ь 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 er0 выполнять с зазором. Дроссель

13 ограничивает скорость нарастания и величину тока разряда конденсаторов 8 и 11.

В некоторых случаях возможна замена дросселя t3 резистором 17 — см. фиг. 5. Это целесообразно при маломощных устройствах, Тогда мощность, выделяемая на резисторе 17, будет небольшая, à его масса будет значительна 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 (фиг. 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 17 рассчитываются с тем условием, чтобы при полностью закрытых тиристорах 5 и 6 поддерживать от полуобмоток 2 и 3 минимально допустимый ток дуги (см, фиг. 7, эпюра ip).

На фиг. 6 представлено устройство с конкретным исполнением блока управления его силовыми тиристорами 5 и 6, Характерной особенностью данной схемы является симметричность угла открытия тиристоров, а также подача на управляемые электроды не кратковременных импульсов управления, а полусинусоид, что особенно важно для надежного открытия тиристоров при работе в импульсных режимах.

Устройство на фиг. 6 работает следующим образом.

При подаче напряжения на вторичную обмотку 4 положительной полярности в начало 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 оптотиристора 24, при открытии которого пойдет ток по цепи: оптотиристор 24 — конденсатор 21 — диод 23— управляемый электрод тиристора 6 (так как в этот момент к его катоду приложено напряжение отрицательной полярности) — полуобмотка 3 — оптотиристор 24. В следующий полупериод оптотиристор 24 откроет тиристор 5, так как к его катоду будет приложено напряжение отрицательной поЗадавая различные режимы работы оптотиристора 24 (фиг. 6), возможно получить от предлагаемого устройства плавное регулирование сварочного тока, модуляцию сварочного тока, "горячий" и "холодный" старты и пр., т,е. значительно расширить сварочно-технологические свойства устройства.

Отсутствие токовых "полочек", плавное регулирование режима сварки, широкие сварочно-технологические возможности устройства — Oce это улучшает качество сварки от предлагаемого устройства. Такое соединение зарядных и разрядных цепочек, как описано в предлагаемом устройстве, позволило совместить на одних и тех же полуобмотках вторичной обмотки трансформатора фактически два источника питания с разным наклоном BAX: с крутопадающей и полого» падающей характеристиками. Источник питания с крутопадающей характеристикой

i829989

20

35

55 имеет удвоенное или учетверенное напряжение полуобмоток и поддерживает стабильное горение дуги. Наличие токоограничивающих 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  — 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 ф, меньшую массу, чем прототип.

Формула изобретения

1. Устройство для дуговой сварки, содержащее трансформатор, вторичная об- мотка 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, о т л и ч а ю щ е е с я 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 по и. 1, отл и ч а ю щеес 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 и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что зарядные цепочки подключены параллельно каждой иэ полуобмоток, причем электрод силового тиристора соединен 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 тиристоры и диоды разрядных цепочек соединены через дроссели одноименными электродами.

4. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что оно снабжено общим дросселем, 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, через общий дроссель с общей точкой силовых тиристоров, причем тиристоры и диоды разрядных цепочек соединены через общий дроссель одноименными электродами;

5. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что оно снабжено общим дросселем, зарядные цепочки подключены параллельно каждой из полуобмоток, причем электрод силового тиристора соединен с одноименным электродом диода, а общие точки конденсатора и диода зарядных цепочек соединены разрядными цепочками, состоящими иэ диода, через общий дроссель с общей точкой силовых тиристоров, причем тиристоры и диоды разрядных цепочек соединены через общий дроссель одноименными электродами. б. Устройство по пп. 4 и 5, о т л и ч а ющ е е с я тем, что последовательно с общим дросселем включен резистор, 7. Устройство по и. 1, отл ич а ю ще ес я тем, что оно снабжено общим резистором, 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, через общий резистор с общей точкой силовых тиристоров, причем тиристоры и диоды разрядных цепочек соединены через общий резистор одноименными электродами.

8. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что оно снабжено общим резистором, зарядные цепочки подключены параллельно каждой из полуобмоток, причем

1829989 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 пи. 3-8, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что оно снабжено двумя диодами, двумя конденсаторами, оптотиристорсм, светодиодом, диодным мостом и

RC-фазосдвигающей цепочкой, причем управляющие электроды силовых тиристоров через диоды и конденсаторы соединены с электродом оптотиристора, другой электрод

5 которого подсоединен к средней точке вторичной обмотки, а светодиод оптотиристорв расположен в диагонали, соединяющей одноименные электроды диодного моста, другая диагональ которого соединена с одной

Ю стороны со средней точкой вторичной обмотки, а с другой — через токоограничивающий элемент с RC-фазосдвигающей цепочкой, 1829989

1829989

Составитель В.Дыменко

Техред M.Moðãå.íòàë Корректор H. Ревская

Редактор

Заказ 2485 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101