Источник питания для дуговой сварки

Изобретение относится к области дуговой сварки металлов плавящимися электродами, в частности к источнику питания для дуговой сварки, и может быть использовано для сварки металлоконструкций и изделий различной толщины во многих областях промышленности. Источник питания содержит трансформатор со трехстержневым магнитопроводом (1), двумя первичными обмотками, размещенными на крайних стержнях, одна из которых подключена непосредственно к питающей сети, а вторая, зашунтированная резистором (18), подключена к питающей сети через двухполупериодный ключ на тиристорах (5) и (6), и размещенной на всех стержнях вторичной обмоткой, соединенной с нагрузкой, и блок управления (17). В источник введены конденсаторы (15) и (16), импульсный трансформатор(14) и встречно-параллельно соединенные тиристоры (9) и (10) с отсекающими диодами (11) и (12), подключенные к питающей сети. Конденсаторы (15) и (16) включены между общими точками соединения тиристоров (9) и (10) с диодами (11) и (12) и первичной обмоткой импульсного трансформатора (14), соединенной с выводом второй первичной обмотки. Вторичные обмотки трансформаторов соединены параллельно, а управляющие входы тиристоров подключены к блоку управления (17). В результате достигается повышение надежности возбуждения и стабилизации горения дуги и снижение габаритной мощности сварочного аппарата за счет уменьшения расхода активных материалов. 2 ил.

 

Изобретение относится к области дуговой сварки металлов плавящимися электродами, в частности к электросварочным аппаратам переменного тока. Источник предназначен для сварки металлоконструкций и изделий различной толщины при производстве строительных и монтажных работ в строительстве, в коммунальном хозяйстве, в быту и других областях промышленности.

Известен источник питания для дуговой сварки, выбранный в качестве аналога (см. кн. Оборудование для дуговой сварки. Справочное пособие /Под ред. В.В.Смирнова - Л.: ЭАИ,1986, с.378, рис.8-16; е, ж), содержащий силовой трансформатор, подключенный первичной обмоткой через двухполупериодный ключ к питающей сети, и вторичную обмотку, соединенную с зажимами нагрузки, и двухобмоточный повышающий трансформатор, обмотки которого подсоединены параллельно обмоткам силового трансформатора через последовательно соединенные конденсаторы.

Недостатком такого источника питания является неудовлетворительные массогабаритные показатели и нестабильность амплитуды высоковольтного возбуждающего импульса инициирующего дугу, сложность настройки параметров стабилизирующего импульса.

Известен также источник питания для дуговой сварки (см., например, а. с. №925571 (СССР), В 23 к 9 /00, опубл. в БИ 1982, №17), содержащий трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к питающей сети через двухполупериодный ключ, и двумя вторичными обмотками, которые соединены параллельно и последовательно с двумя вторичными обмотками индуктивности, а ее первичная обмотка через последовательный конденсатор подключена параллельно первичной обмотке трансформатора.

Недостатком устройства-аналога является потеря управляемости тиристоров в режимах близких к холостому ходу, разность частот сети и колебательного контура, снижающих эффективность зажигания дуги; повышенное значение тока, потребляемого из сети.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является источник питания дуговой сварки, выбранный в качестве прототипа (см. статью Шадрина Г.А., Кондратьева Ю.А. Источник питания для дуговой сварки с ограничением тока и напряжения холостого хода. В сб.: Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы. Вестник УГПУ-УПИ, часть 2, Екатеринбург, 2003, с.306, рис.1)

Источник содержит трансформатор с трехстержневым магнитопроводом и с двумя первичными обмотками, расположенными на крайних стержнях, подключенными к питающей сети: одна - непосредственно, а другая - через двухполупериодный ключ, блок управления и вторичную обмотку, размещенную на всех стержнях и соединенную с нагрузкой.

Недостатком устройства-прототипа является неустойчивость зажигания, повышенный расход обмоточных проводов и электротехнической стали, вызванный тем, что необходимо иметь напряжение холостого хода в пределах 65-75В и более.

Целью изобретения является повышение надежности возбуждения дуги и стабилизации ее горения, снижение габаритной мощности за счет уменьшения расхода активных материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в источник питания для дуговой сварки, содержащий трансформатор с трехстержневым магнитопроводом, с двумя первичными обмотками, размещенными на крайних стержнях, одна из которых подключена непосредственно к питающей сети, а вторая, зашунтированная резистором, подключена к питающей сети через двухполупериодный ключ, и размещенной на всех стержнях вторичной обмоткой, соединенной с нагрузкой, и блок управления, в него введены конденсаторы, импульсный трансформатор и встречно-параллельно соединенные тиристоры с отсекающими диодами, подключенные к питающей сети, причем конденсаторы включены между общими точками соединения тиристоров с диодами и первичной обмоткой импульсного трансформатора, соединенной с выводом второй первичной обмотки, вторичные обмотки упомянутых трансформаторов соединены параллельно, а управляющие входы тиристоров подключены к блоку управления.

Анализ известных технических решений в области дуговой сварки позволяет сделать выводы об отсутствии в них признаков, сходных с существенными признаками в заявляемом источнике питания, и признать решение, соответствующее критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения заключается в том, что конденсаторы в один полупериод накапливают энергию а в следующий полупериод, разряжаясь, возвращают энергию в нагрузку в виде возбуждающего импульса с постоянной амплитудой, совпадающего с фазой напряжения холостого хода, трансформируемого в междуговой промежуток. Разрядный импульс конденсатора создает условия для надежного перехода искрового разряда импульса в дуговой разряд источника питания (сварочного трансформатора с трехстержневым магнитопроводом).

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема источника питания для дуговой сварки, а на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.

Источник питания содержит трансформатор 1 с трехстержневым магнитопроводом, с двумя первичными обмотками 2 и 3, подключенными к питающей сети 4, которая может быть трехфазной (четырехпроводной) или одно (двух) фазной.

Обмотка 2 подключена к питающей сети через двухполупериодный ключ на тиристорах 5 и 6. Вторичная обмотка 7, состоящая из секций 7а,7б,7в, размещена на всех стержнях магнитопровода трехстержневого трансформатора 1 и подключена к нагрузке 8, т.е. к междуговому промежутку. Встречно - параллельно соединенные тиристоры 9 и 10 с отсекающими диодами 11 и 12 подключены к зажимам питающей сети. Между общими точками соединениями тиристоров 9 и 10 с отсекающими диодами 11,12 и выводом первичной обмотки 2 через первичную обмотку 13 импульсного трансформатора 14 подключены конденсаторы 15 и 16.

Управляющие входы тиристоров 5, 6 и 9, 10 подключены к блоку управления 17. Вторая первичная обмотка 2 зашунтирована резистором 18. Вторичные обмотки 7 трансформатора 1 и 19 импульсного трансформатора 14 соединены параллельно.

Принцип работы устройства по фиг.1 рассмотрим для случая параллельного соединения первичных обмоток 2 и 3, подключенных к двухпроводной питающей сети 4. Конденсаторы 15 и 16 в свой полупериод напряжения 20 предварительно заряжаются до амплитуды напряжения 20 (фиг.2) полярностью, соответствующей полярности питающей сети 4, приведенной на фиг.1, - кривые 21 и 22.

При подаче напряжения 20 (фиг.2) питающей сети по первичной обмотке 3 (фиг.1) начинает протекать синусоидальный ток, который наводит основной магнитный поток Ф₀. В магнитопроводе поток Ф₀ разветвляется, замыкаясь по среднему и второму крайнему стержню, при этом в секции W_7в обмотки 7(фиг.1) индуктируется обратная ЭДС (напряжение), под действием которого через диод 11, первичную обмотку 13 трансформатора 14 и обмотку 2 трансформатора 1, конденсатор 15 подзаряжается - кривая 21 (фиг.2). Трансформируемое во вторичную обмотку 7(фиг.1) напряжение будет минимальным, в пределах 12-20 В. Около 2/3 всех витков вторичной обмотки 7 размещено на среднем стержне, остальные - на крайних стержнях.

При заданном угле α=α_k (фиг.2) импульсами с блока 17 (фиг.1) управления одновременно открываются тиристоры 5 и 9. Через тиристор 5 по первичной обмотке 2 начинает протекать ток 23 (фиг.2), создающий свой регулируемый магнитный поток Ф_р. Поток Ф_р изменяет свое направление на противоположное и в среднем стержне потоки Ф₀ и Ф_р суммируются, наводя в витках секции W_7б обмотки 7(фиг.1) практически двойную ЭДС на виток по сравнению с ЭДС на виток первичных обмоток 2 и 3.

Трансформируемый разрядный импульс 24(фиг.2) конденсатора 15 (фиг.1), совпадающий по фазе с напряжением холостого хода на вторичной обмотке 7(фиг.1) через обмотку 19 импульсного трансформатора 14 и обмотку 7 трехстержневого трансформатора 1(фиг.1) прикладывается к дуговому промежутку нагрузки 8(фиг.1).

В дуге выделяется мощность, которая определяется суммой трансформируемых мощностей, передаваемой от питающей сети и разрядного импульса

где u, i - мгновенные значения напряжения и тока;

С, U₃ - емкость конденсатора и напряжение зарядки на его обкладках;

t_p - время разрядки конденсатора.

Возбуждающий импульс 24(фиг.2), трансформируемый в обмотку 19(фиг.1) трансформатора 14 и обмотку 7 трехстержневого трансформатора 1, создает напряжение искрового пробоя, которое накладывается на напряжение холостого хода трансформатора и происходит дуговой разряд.

Полярность напряжения холостого хода источника питания по фазе совпадает с напряжением разрядных импульсов 24(фиг.1) стабильной амплитуды, что и обеспечивает стабильность возбуждения и горения дуги. После загорания дуги напряжение на дуговом промежутке 8(фиг.1) в нагрузке снижается до напряжения 25(фиг.2) горения дуги U_∂=20+0.04I_∂,

где Ud, Id - напряжение и ток дуги.

Конденсатор 15(фиг.1) по окончании разрядки на обмотки 2 трехстержневого трансформатора и 13 импульсного трансформатора 14 перезаряжается рабочим током обмотки 2, полярностью, показанной на фиг.1 без скобок. Тиристор 9 запирается и только после смены полярности напряжения 20(фиг.2) питающей сети конденсатор 15(фиг.1) разряжается и перезаряжается полярностью напряжения 21(фиг.2), приведенной на (фиг.1) в скобках.

В отрицательный полупериод напряжения 20(фиг.2) питающей сети процессы повторяются, но теперь вступают в работу тиристоры 6 и 10, диод 12 и конденсатор 16(фиг.1), напряжение, на обкладках которого показано кривой 22(фиг.2) без скобок.

При питании от четырехпроводной сети одна первичная обмотка подключена на линейное напряжение, а вторая - на фазное. Отличие процессов состоит в том, что в среднем стержне магнитопровода 1(фиг.1) потоки Ф₀ и Ф_р сдвинуты на 90° относительно друг друга, поэтому суммируются геометрически. Следовательно, геометрически будут суммироваться ЭДС секций W_7а,W_7б u W_7в вторичной обмотки 7.

Таким образом, введение устройства возбуждения на тиристорах с отсекающими диодами, накопление энергии конденсаторами в разные полупериоды напряжения питающей сети и передача энергии в виде разрядного импульса в дуговой промежуток в фазе с напряжением холостого хода позволяет снизить напряжение холостого хода примерно на 25 В, т.е. уменьшить число витков вторичной обмотки источника питания. За счет увеличения коэффициента трансформации почти в 1,5 раза можно снизить габаритную мощность трехстержневого трансформатора, использовать для намотки первичных обмоток провод меньшего сечения, уменьшить массу стали магнитопровода.

За счет импульсного трансформатора 14 увеличивается амплитуда возбуждающего импульса в нагрузке 8, поскольку на напряжение холостого хода накладывается двойной импульс возбуждения. Для надежного зажигания и горения дуги достаточно длительности разрядного импульса t_p=100-200мкс, импульсного тока разрядки конденсатора 60-100 А и амплитуды напряжения поджигающих импульсов 400-600 В.

Улучшение условий возбуждения и стабилизации горения дуги позволяет на более качественном уровне производить сварочные работы.

Предлагаемый источник питания для дуговой сварки может быть изготовлен на любые мощности. С целью равномерной загрузки трехфазной сети сварочный источник питания мощностью свыше 20 кВА следует подключать к трехфазной (четырехпроводной) сети. Данный источник питания можно также использовать при точечной сварке.

Источник питания для дуговой сварки, содержащий трансформатор со трехстержневым магнитопроводом, двумя первичными обмотками, размещенными на крайних стержнях, одна из которых подключена непосредственно к питающей сети, а вторая, зашунтированная резистором, подключена к питающей сети через двухполупериодный ключ на тиристорах, и размещенной на всех стержнях вторичной обмоткой, соединенной с нагрузкой, и блок управления, отличающийся тем, что в него введены конденсаторы, импульсный трансформатор и встречно-параллельно соединенные тиристоры с отсекающими диодами, подключенные к питающей сети, причем конденсаторы включены между общими точками соединения тиристоров с диодами и первичной обмоткой импульсного трансформатора, соединенной с выводом второй первичной обмотки, вторичные обмотки трансформаторов соединены параллельно, а управляющие входы тиристоров подключены к блоку управления.