Инверторный источник питания для электродуговой сварки
Владельцы патента RU 2339491:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)
Изобретение относится к технологическому оборудованию, используемому для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, в частности к малогабаритным источникам питания инверторного типа. Первичная обмотка выходного понижающего трансформатора (ПТ) включена по однотактной схеме. Две параллельные ветви состоят из двух последовательно соединенных тиристоров, между точками соединения анодов и катодов которых включен коммутирующий конденсатор. Вторичная обмотка ПТ обоими концами подключена к входу неуправляемого выпрямителя, а средней точкой - к одной из клемм нагрузки. Выход неуправляемого выпрямителя соединен с одним концом дросселя фильтра, который другим концом соединен со второй клеммой нагрузки. Один конец первичной обмотки ПТ подключен к общей точке соединения анодов тиристоров параллельных ветвей, а другой - к плюсу источника питания. Минус источника питания подключен к общей точке соединения катодов тиристоров параллельных ветвей. Во вторичном контуре нагрузка и дроссель фильтра зашунтированы в обратном направлении диодом. Инверторный источник питания обеспечивает надежную работу. 5 ил.
Изобретение относится к технологическому оборудованию, используемому для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, в частности к малогабаритным источникам питания инверторного типа.
Известен инверторный источник питания для электродуговой сварки, содержащий две параллельные ветви, каждая из которых содержит тиристор и первичную полуобмотку выходного понижающего трансформатора. Между анодами тиристоров включен коммутирующий конденсатор (см. Автоматическая сварка, 1982, №7, с.29, рис.1д).
Недостатком данного инверторного источника питания для сварки, помимо ограниченных регулировочных возможностей, является то, что во время работы инверторного источника питания, при протекании тока через одну полуобмотку первичной обмотки выходного понижающего трансформатора, во второй первичной полуобмотке наводится соответствующий импульс напряжения, который, суммируясь с напряжением источника питания, создает значительные перенапряжения на работающих элементах силовой части инвертора, что, в свою очередь, приводит к применению высокого класса тиристоров, а также понижает надежность работы инверторного источника питания.
Известен инверторный источник питания для электродуговой сварки, принятый за прототип, который содержит две параллельные ветви, каждая из которых содержит два последовательно включенных тиристора и половину первичной обмотки выходного понижающего трансформатора. Питающее напряжение подводится в диагональ, образованную средней точкой первичной обмотки выходного понижающего трансформатора и точкой соединения свободных катодов тиристоров параллельных ветвей. Между точками соединения анодов и катодов тиристоров параллельных ветвей включен коммутирующий конденсатор. Во вторичном контуре выходного понижающего трансформатора его вторичная обмотка обоими концами подключена к входу неуправляемого выпрямителя, а средней точкой - к одной из клемм нагрузки. При этом выход неуправляемого выпрямителя соединен с одним концом дросселя фильтра, который, в свою очередь, другим концом соединен со второй клеммой нагрузки. Источник питания обеспечивает широтно-импульсную, комбинированно-импульсную и частотно-импульсную модуляцию (патент Российской Федерации №2140344, МКИ В23K 9/09).
Недостатком прототипа является его низкая надежность во время работы вследствие возникающих перенапряжений на работающих элементах силовой части инверторного источника питания.
Задача изобретения - повышение надежности работы рассматриваемых схем инверторных источников питания для электродуговой сварки.
Для решения поставленной задачи в предлагаемом инверторном источнике питания для электродуговой сварки, содержащем выходной понижающий трансформатор и две параллельные ветви, каждая из которых состоит из двух последовательно соединенных тиристоров, между точками соединения анодов и катодов которых включен коммутирующий конденсатор, первичная обмотка выходного понижающего трансформатора включена по однотактной схеме. Один конец первичной обмотки выходного понижающего трансформатора подключен к общей точке соединения анодов тиристоров параллельных ветвей, а другой - к плюсу источника питания. Минус источника питания подключен к общей точке соединения катодов тиристоров параллельных ветвей. Во вторичном контуре выходного понижающего трансформатора его вторичная обмотка обоими концами подключена к входу неуправляемого выпрямителя, а средней точкой - к одной из клемм нагрузки. При этом выход неуправляемого выпрямителя соединен с одним концом дросселя фильтра, который, в свою очередь, другим концом соединен со второй клеммой нагрузки. Нагрузка и дроссель фильтра в обратном направлении зашунтирована диодом, анод которого соединен с общей точкой соединения средней точки вторичной обмотки выходного понижающего трансформатора и одной клеммой нагрузки, а катод - с общей точкой соединения выхода неуправляемого выпрямителя и одним концом дросселя фильтра.
Заявленный инверторный источник питания для электродуговой сварки отличается тем, что в первичном контуре выходного понижающего трансформатора первичная обмотка включена по однотактной схеме, что, в свою очередь, обеспечивает повышение надежности работы рассмотренных раннее аналога и прототипа, а также заявленного инверторного источника питания для электродуговой сварки, а во вторичном контуре выходного понижающего трансформатора нагрузка и дроссель фильтра зашунтированы в обратном направлении диодом.
Испытание опытного образца дает право утверждать о работоспособности и промышленной применимости заявляемого инверторного источника питания для электродуговой сварки.
На чертежах представлены:
фиг.1 - принципиальная схема силовой части инверторного источника питания для электродуговой сварки;
фиг.2 - график работы силовых тиристоров в режиме холостого хода;
фиг.3 - график работы силовых тиристоров в режиме с широтно-импульсным управлением;
фиг.4 - график работы силовых тиристоров в режиме с комбинированным импульсным управлением;
фиг.5 - график работы силовых тиристоров в режиме с частотно-импульсным управлением.
Обозначения, применяемые на чертежах, и их расшифровка:
I3 - ток тиристора 3;
I4 - ток тиристора 4;
I5 - ток тиристора 5;
I6 - ток тиристора 6;
U7 - напряжение на коммутирующем конденсаторе;
tим - время импульса;
tп - время паузы;
Т - период работы.
Инверторный источник питания для электродуговой сварки содержит две параллельные ветви 1 и 2, каждая из которых включает в себя два последовательно соединенных тиристора 3, 4 и 5, 6 соответственно. Между точками соединения анодов и катодов тиристоров 3, 4 и 5, 6 включен коммутирующий конденсатор 7. Первичная обмотка 8 выходного понижающего трансформатора 9 включена по однотактной схеме. Один конец первичной обмотки 9 выходного понижающего трансформатора 8 подключен к общей точке соединения анодов тиристоров (3 и 5) параллельных ветвей, а другой - к плюсу источника питания. Минус источника питания подключен к общей точке соединения катодов тиристоров (4 и 6) параллельных ветвей. Во вторичном контуре выходного понижающего трансформатора 8 его вторичная обмотка 10 обоими концами подключена к входу неуправляемого выпрямителя 13, а средней точкой - к клемме нагрузки 16. При этом выход неуправляемого выпрямителя 13 соединен с одним концом дросселя фильтра 15, который, в свою очередь, другим концом соединен со второй клеммой нагрузки 17. Нагрузка и дроссель фильтра в обратном направлении зашунтированы диодом 14, анод которого соединен с общей точкой соединения средней точки вторичной обмотки выходного понижающего трансформатора и клеммой нагрузки 16, а катод - с общей точкой соединения выхода неуправляемого выпрямителя 13 и одним концом дросселя фильтра 15.
Инверторный источник питания для электродуговой сварки работает следующим образом.
В режиме холостого хода (фиг.2) управляющие импульсы подаются поочередно, одновременно на два тиристора 3, 6 или 5, 4, при этом коммутирующий конденсатор резонансно заряжается по цепям:
(+) источника питания (на чертеже не показан), первичная обмотка 9 выходного понижающего трансформатора 8, тиристор 3, коммутирующий конденсатор 7, тиристор 6, (-) источника питания;
(+) источника питания, первичная обмотка 9 выходного понижающего трансформатора 8, тиристор 5, коммутирующий конденсатор 7, тиристор 4, (-) источника питания.
Благодаря резонансному контуру, образованному первичной обмоткой 9 выходного понижающего трансформатора 8 и коммутирующим конденсатором 7, за несколько циклов, коммутирующий конденсатор 7 заряжается до напряжения, необходимого для нормальной работы инвертора, и с минимальной частотой работает в режиме холостого хода.
В режиме нагрузки возможны следующие режимы работы инвертора:
а) Режим с широтно-импульсным управлением. При этом предварительно в режиме холостого хода, за несколько циклов, коммутирующий конденсатор 7 заряжается до напряжения, необходимого для нормальной работы инвертора, т.е. до напряжения, необходимого для отключения тиристоров 4 и 6 и прекращения протекания тока в нагрузке. В режиме нагрузки: (+) на левой обкладке коммутирующего конденсатора 7, управляющие импульсы подаются на тиристоры 5 и 6, которые отпираются. В результате чего ток начинает протекать по цепи: (+) источника питания, первичная обмотка 9 выходного понижающего трансформатора 8, тиристор 5, тиристор 6, (-) источника питания. Со вторичной обмотки 10 выходного понижающего трансформатора 8 ток поступает в нагрузку. Длительность протекания тока определяется схемой управления, причем при максимальной длительности протекания тока сердечник выходного понижающего трансформатора 8 не входит в насыщение. Для прекращения протекания тока в нагрузке управляющим импульсом отпирается тиристор 4. При этом коммутирующий конденсатор 7 начинает частично перезаряжаться по цепи: (+) источника питания, первичная обмотка 9 выходного понижающего трансформатора 8, тиристор 5, коммутирующий конденсатор 7, тиристор 4, (-) источника питания, а тиристор 6 восстанавливает свою запирающую способность, поскольку к нему приложено обратное напряжение по цепи: левая обкладка коммутирующего конденсатора 7, тиристор 4, тиристор 6. В результате такого перезаряда напряжение на коммутирующем конденсаторе 7 сменит свою полярность и (+) теперь находится на правой обкладке коммутирующего конденсатора 7. По окончании перезаряда коммутирующего конденсатора 7 тиристоры 5 и 4 выключаются.
В следующем такте управляющие импульсы поступают на тиристоры 3 и 4, в результате чего они отпираются, и ток начинает протекать по цепи: (+) источника питания, первичная обмотка 9 выходного понижающего трансформатора 8, тиристоры 3 и 4, (-) источника. Со вторичной обмотки 10 выходного понижающего трансформатора 8 ток поступает в нагрузку. Для прекращения протекания тока в нагрузке управляющим импульсом отпирают тиристор 6. При этом коммутирующий конденсатор 7 начинает частично перезаряжаться по цепи: (+) источника, первичная обмотка 9 выходного понижающего трансформатора 8, тиристор 3, коммутирующий конденсатор 7, тиристор 6, (-) источника питания, а тиристор 4 восстанавливает свою запирающую способность (поскольку к нему приложено обратное напряжение) по цепи: правая обкладка коммутирующего конденсатора 7, тиристор 6, тиристор 4. В результате такого перезаряда напряжение на коммутирующем конденсаторе 7 сменит свою полярность и (+) теперь находится на левой обкладке коммутирующего конденсатора 7. По окончании перезаряда коммутирующего конденсатора 7 тиристоры 3 и 6 выключаются.
При широтно-импульсной модуляции регулируемым параметром является длительность включения тиристоров (tим=var) 3, 4 или 5, 6 при постоянной частоте (f=const).
Длительность включения тиристоров изменяется параметрически или с помощью обратных связей. Это обеспечивает изменение длительности протекания тока в режиме нагрузки в выходном понижающем трансформаторе за каждый период и тем самым позволяет регулировать сварочный ток. Работа источника при широтно-импульсной модуляции иллюстрируется эпюрами токов и напряжений на Фиг.3.
Для правильной работы источника необходимо, чтобы очередное включение последовательно включенных тиристоров 3 и 4 происходило после отключения тиристоров 5 и 6 и наоборот, т.к. источник может работать только лишь при этом условии. С уменьшением сварочного тока частота его пульсаций не изменяется, что способствует устойчивому горению дуги;
б) Режим с комбинированным импульсным управлением. В этом случае, в режиме нагрузки, частота поочередного отпирания последовательно включенных тиристоров 3, 4 и 5, 6 будет переменной (f=var) и задаваться параметрически или с помощью обратных связей, но управляющие импульсы, необходимые для отпирания этих тиристоров, должны поступать с задержкой по отношению к управляющим импульсам, поступающим на тиристоры 4 и 6. Эта задержка определяет длительность паузы при протекании тока в первичной обмотке 9 выходного понижающего трансформатора 8.
Таким образом, увеличение частоты следования управляющих импульсов, поступающих поочередно на пары тиристоров 3, 4 и 5, 6, приводит к уменьшению длительности импульсов тока, протекающих в первичной обмотке 9 выходного понижающего трансформатора 8, т.к. длительность паузы не меняется. Поэтому с увеличением частоты ток будет снижаться. Такой способ обеспечивает стабильное горение дуги и расширяет регулировочные возможности инвертора.
Работа источника при комбинированном импульсном управлении иллюстрируется эпюрами токов и напряжений на Фиг.4;
в) Режим с частотно-импульсным управлением. При частотно-импульсной модуляции частота для попарного отпирания тиристоров 3, 4 и 5, 6 не постоянна (f=var), а задается параметрически или с помощью обратных связей, т.е. регулируемым параметром является период следования управляющих импульсов Т, поступающих на управляемые переходы тиристоров силовой части инверторного источника питания, а длительность включения силовых тиристоров постоянна (tим=const).
Работа источника при частотно-импульсном управлении иллюстрируется эпюрами токов и напряжений на Фиг.5.
Предлагаемая схема инверторного источника питания для сварки обеспечивает его надежную работу при реализации всех алгоритмов управления силовой частью инвертора.
Инверторный источник питания для электродуговой сварки, содержащий выходной понижающий трансформатор, две параллельные ветви, состоящие из двух последовательно соединенных тиристоров, между точками соединения анодов и катодов которых включен коммутирующий конденсатор, при этом во вторичном контуре выходного понижающего трансформатора, его вторичная обмотка обоими концами подключена к входу неуправляемого выпрямителя, а средней точкой к одной из клемм нагрузки, причем выход неуправляемого выпрямителя соединен с одним концом дросселя фильтра, который другим концом соединен со второй клеммой нагрузки, отличающийся тем, что в первичном контуре выходного понижающего трансформатора первичная обмотка включена по однотактной схеме, причем один конец первичной обмотки выходного понижающего трансформатора подключен к общей точке соединения анодов тиристоров параллельных ветвей, а другой - к плюсу источника питания, при этом минус источника питания подключен к общей точке соединения катодов тиристоров параллельных ветвей, а во вторичном контуре нагрузка и дроссель фильтра зашунтированы в обратном направлении диодом, анод которого соединен с общей точкой соединения средней точки вторичной обмотки выходного понижающего трансформатора и одной клеммой нагрузки, а катод - с общей точкой соединения выхода неуправляемого выпрямителя и одним концом дросселя фильтра.
