Генератор импульсов сварочного тока

.,13 СТ техни тутН. И. Черня621,791.76(Авторское с7531, кл. ВГЕНЕРАТОР ИМП нст ки(72) (53) (56) Яо (54) ТОКА (57) В в аши тельство СССР К 9/00, 1982. ЬСОВ СВАРОЧНО Ид 23 ни и мо -сварк я арг дуговзовано кам питаниякет быть исп о-д ле тродо изоб- ества Целью ие ка о сплавов. тся повыше миния и е ретения явлсварного ш за счет расши ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ А ВТОРСНОМУ СВИД(46) 15.09.87. Бюл, 9 (71) Тольяттинский по Изобретение относится к вой сварки неплавяши паэона изменения параметров импульсовсварочного тока, расширение функциональных возможностей генератора иулучшение его массогабаритных показателей. Для достижения цели источникпитания выполнен с выводом от средней точки. Кроме того, генераторснабжен дополнительными управляемымиключами, один из которых выполнен ввиде тиристорного мостового коммутатора с конденсатором в диагонали,В двухсекционном индуктивном накопителе энергии электрический ток протекает поочередно в каждой из секций,что позволяет в дуговом промежуткеполучать разнополярные и разноампли тудные импульсы сварочного тока.3 з.п.ф-лы, 7 ил.1337212Составитель В. Пучинский Редактор Э. Слиган Техред М.Дидык Корректор В.Бутяга Заказ 4080/13 Тираж 974 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул, Проектная, 1 133721Изобретение относится к источникам питания для дуговой сварки и может быть использовано для аргоннодуговой сварки непланящимся электро 1)дом алюминия и его сплавов, а такжев других областях техники для питаниянагрузки разноамплитудными импульсами регулируемой длительности.Целью изобретения является повышение качества сварного шва за счетрасширения диапазона изменения параметров импульсов сварочного тока,расширение функциональных возможностей генератора и улучшение его массогабаритных показателей,На фиг , 1 изображена принципиальная электрическая схема т енератораимпульсов сварочного тока при магнитно-связанных секциях индуктивного накопителя энергии; на фиг, 2 - варианты выполнения источника питания; нафиг. 3 - график тока через дуговойпромежуток при использовании в схеме(фиг, 1) только первого и второго управляемых ключей; на Фиг. 4 - графики тока через дуговой промежуток прииспользовании всех управляемых ключейв схеме (фиг. 1); на Фиг, 5 - принципиальная электрическая схема генератора импульсов сварочного тока привыполнении индуктивного накопителяв виде двух магнитно-несвязанных секций; на фиг. 6 - графики токов черездуговой промежуток и секции индуктивного накопителя энергии; на Фиг. 7схема генератора с управляемым ключомв виде тиристорного мостового коммутатора с конденсатором в диагонали,Генератор импульсов сварочного то- щка (фиг, 1) состоит из источника 1питания, двухсекционного индуктивногонакопителя 2 энергии, первого 3 и втовторого 4 управляемых ключей, соединенных с блоком 5 управления, первой6 и второй 7 выходных клемм, между кокоторыми включен дуговой промежуток8, причем первый вывод 9 источника 1питания через первый управляемый ключ3 присоединен к первому выводу 10 индуктивного накопителя 2 энергии, второй вывод 11 источника 1 питания через второй управляемый ключ 4 соеди.нен с вторымвыводом 12 индуктивногонакопителя 2 энергии, первая выходная Ббклемма 6 присоединена к отводу 13 отместа соединения секций индуктивногонакопителя 2 энергии, источник 1 питания выполнен с третьим выводом 14 2 2от средней точки, который соединен с второй выходной клеммойБлок 5 управления в этом случае осуществляет поочередное включение и выключение управляемых ключей 3 и 4 таким образом, чтобы включенному состоянию ключа 3 всегда соответствовало выключенное состояние ключа 4, а включенному состоянию ключа 4 - выключенное состояние ключа 3. Длительность и частота включенного состояния ключей регулируются.В качестве управляемых ключей могут быть использованы различные устройства, например транзисторы, одно- операционные и комбинированна-выключаемые тиристоры с узлами искусственной коммутации, запираемые тиристоры, оптоэлектронные приборы и т,п.Индуктивный накопитель представляет собой электромагнитную систему, состоящую из двух магнитно-связанных обмоток, расположенных, как правило, на общем Ферромагнитном сердечнике, имеющем немагнитный зазор.Для выполнения источника питания с третьим выводом от средней точки можно использовать различные технические решения, На фиг. 2 представленыварианты выполнения источника питания с третьим выводом от средней точ-, ки, Он может быть выполнен, например, в виде выпрямителя с выводом от нулевой точки вторичной обмотки трансформатора (фиг. 2, а), в виде аккуму-, ляторной батареи с выводом от части элементов (фиг. 2,б), в виде двух последовательно соединенных выпрямителей (фиг, 2,в) или аккумуляторных батарей (Фиг.2, г) с выводом от точки их соединения и т.п.В общем случае напряжение между третьим и первым выводами может быть не равно напряжению между третьим и вторым выводами, Например, в схеме на фиг, 2, б это достигается при различном количестве элементов между этими парами выводов, а в схеме на фиг. 2, в - при различном количестве витков вторичных обмоток трансформатора. На фиг, 3 кривая 15 - график тока через дуговой промежуток 8 при использовании в схеме (фиг. 1) только первого и второго управляемых ключей.Генератор импульсов сварочного тока работает следующим образом.)10 15 3 133Дуговой промежуток 8 приводится в проводящее состояние н момент (фиг, 3). Это можно сделать с помошью например, ссциллятора или касанием электрода поверхности изделия. При подаче сигнала управления с блока 5 на управляемый ключ 3 он включается. При этом секция 10-13 индуктивного накопителя 2 энергии через включенный ключ 3 и дуговой промежуток 8 заряжается от источника 1 питания. Ток протекает по цепи первый вывод 9 источника 1 питания - ключ 3 - секция 10-3 - клемма 6 - дуговой промежуток 8 - клемма 7 - третий нывод 14 источника 1 питания, Происходит заряд индуктивного накопителя 2 энергии от источника 1 питания. Ток через дуговой промежуток 8 увеличивается и протекает от клеммы 6 к клемме 7; примем это направление за положительное, В момент С блоком 5 управления ключ 3 выключается, а ключ 4 включается. За счет взаимной индукции между секциями 0-13 и 3-12 индуктивного накопителя 2 ток перехватывается в секцию 13- 12 и протекает по пепи 13 - 12 - 41 11 - 14 - 7 - 8 - 6 - 13. В течение времени 1 - С происходит заряд ин 2дуктивцого накопителя 2 через секцию 13-12, Ток через дуговой промежуток 8 в моментскачкообразно изменяет свое направление и через дугу формирует отрицательный импульс тока, В моментблоком 5 управления снова включается ключ 3, а ключ 4 выключаетсяЗа счет взаимной индукции . между секциями 10-13 и 13-2 индуктивного накопителя 2 ток перехватывается в секцию 10-13 и снова протекает по цепи 9 - 3 - 10 - 13 - 6 8 - 7 - 14, Через дуговой промежуток 8 снова формируется положительный импульс тока. Заряд индуктивного накопителя 2 энергии и увеличение тока в цепи дуги могут происходить как в течение нескольких периодов, так и в течение одного полупериода в зависимости от соотношения периода следования импульсов и величины постоянной времени секций индуктивного накопителя, В установившемся режиме величина тока остается постоянной. Амплитуды импульсов токов прямой и обратной полярностей определяются величиной запасенной энергии в индуктивном накопителе и соотношением индуктивностей его секций. Длительность 20 2) 30 35 40 45 50 55 импульссн токов и частота их следования определяются только моментами переключения ключей. Выбирая различные соотношения индуктивностей секций 10-13 и 13-12 за счет, например, изменения количества их витков, можно регулировать соотношение амплитуд токов прямой и обратной полярностей. Изменяя блоком 5 управления моменты переключения ключей 3 и 4, можно регулировать частоту и соотношение длительностей импульсов токов разных полярностей.Регулирование соотношения амплитуд токов разных полярностей при помощи изменения количества витков секций ининдуктивного накопителя производится дискретно. Для плавной регулировки этого соотношения в пределах дискретности изменения витков взаимно индуктивно связанных секций в генераторимпульсов сварочного тока могут бытьннедены третий 16 и четвертый 17 управляемые ключи, которые соединеныпараллельно индуктивному накопителю2 в точках 1 О и 12, причем точка соединения управляемых ключей 16 и 17соединена с второй выходной клеммой 7,Блок 5 управления в этом случаеосуществляет прстивофазную работуключей 3 и 7, а также 4 и 16, причем пары ключей 3 и 17, 4 и 16 работают поочередно, Длительность включенного состояния всех ключей, а также длительность работы каждой из вышеуказанных пар ключей регулируются,Генератор импульсов сварочного тока го фиг, 1 в этом случае работаетследующим образом. Рассмотрим его работу в установившемся режиме, когдансе переходные процессы окончены,В начальный момент времени(фиг, 4) дуга возбуждена, блоком 5включен ключ 3, остальные ключи выключены, Через секцию 10-13 протекаетток величиной. Ток протекает поцепи 9 - 3 - 1 О - 13 - 6 - 8 - 714. При этом секция 10-13 индуктивнотго накопителя 2 энергии через включенный ключ 3 и дуговой промежуток 8 заряжается от источника 1 питания, Токчерез дуговой промежуток увеличивается. В момент С он достигает величины 3, При этом блоком 5 управленияключ 3 запирается, а ключ 17 включается. Ток замыкается по цепи 10 - 13 -б - 8 - 7 - 17, Источник 1 питания отсварочной цепи отключается, а ток че. рез дугу поддерживается за счет энергии, запасенной в индуктивном накопителе 2. При этом индуктивный накопи 5 тель разряжается и ток в цепи уменьшается. В момент э, когда ток уменьшится до величины 1 блоком 5 уп - равления снова включается ключ 3, а ключ 17 выключается. При этом опять происходит заряд индуктивного накопителя 2 и ток в цепи дуги увеличивается, Далее в течение времени формирования положительного импульса тока генератор работает аналогично. Величина тока в сварочной цепи определяется отношением времени1 заряда индуктивного накопителя 2 к времени 1 - 1 его разряда. 7 ем2 Эбольше это отношение, тем больше ( средний ток положитедльной поля 17 ности, В момент времени 17 ток уменьшается до величины 3, . Допустим, в этот момент необходимо изменить полярность тока через дугу на противоположную. 25 Для этого ключи 3 и 17 выключаются, а работать начинает вторая пара ключей 4 и 16. Допустим, в момент включается сначала ключ 4, ключ 16 при этом заперт. За счет взаимоиндукции между секциями 10-13 и 13-12 ток перехватывается в секпию 13-12 и протекает по цепи 13 - 12 - 4 - 11 14 - 7 - 8 - б - 13, В течение времени 1 -секция 13-12 индуктивного7 35 накопителя 2 через включенный ключ и дуговой промежуток 8 заряжается от источникапитания, Ток через дуговой промежуток 8 скачком изменяет свое направление и увеличивается по абсолютной величине от значения 3,2 в момент 1 до значения 3 в момент"Д 2В момент С ключ 4 запирается блоком 5 управления, а ключ 16 включается, Ток замыкается по цепи 1345 12 - 16 - 7 - 8 - 6 - 13, Источник 1 питания отключается от сварочной цепи, а ток через дугу поддерживается за счет энергии, запасенной в индуктивном накопителе 2 энергии, Индук 50 тивный накопитель 2 при этом разряжается и ток в цепи уменьшается В момент С , когда ток уменьшается до значенйя 3 , блоком 5 управления снова включается ключ 4, а ключ 16 выключается, При этом опять происходит55 заряд индуктивного накопителя 2 и ток в цепи дуги увеличивается. Далее в течение формирования отрицательно 7 о импульса тока генератор работает аналогично, Величина тока в сварочной цепи определяется отношением времени-заряда индуктивного накопителя 2 к времени-его разряда. Чем больше это отношение, тем больший средний ток отрицательной полярности протекает через дугу, Таким образом, изменяя отношение времени заряда и времени разряда индуктивного накопителя 2, с помощью блока 5 управления можно независимо иплавно регулировать величину токов разных полярностей. Изменяя моменты С и 1 , можно плавно регулировать7длительность импульсов токов разных полярностей.При изготовлении секционированных индуктивных накопителей обеспечить абсолютную магнитную связь между секциями невозможно, Поэтому каждая секция обладает небольшой собственной индуктивностью рассеяния, Это приводит к тому, что изменение полярности тока дуги происходит не мгновенно, а в течение определенного времени, В связи с этим скорость прохода тока через нуль уменьшается, что ухудшает стабильность горения дуги. Увеличиваются также перенапряжения на управляемых ключах и для их уменьшения необходимо применять специальныемеры, усложняющие изготовление и наладку генератора,Для уменьшения отрицательного влияния этих явлений в генераторе импульсов сварочного тока может бытьприменен индуктивный наполнитель,выполненный в виде двух магнитно-несвязанных секций, и введены при этомпятый 18 и шестой 19 управляемые ключи, которые соединены последовательно и присоединены г.араллельно индуктивному накопителю энергии в точках10 и 12, причем точка соединения уп-,равляемых ключеи соединена с первойвыходной клеммой 6 (фиг, 5),Блок 5 управления в этом случае осуществляет противофазную работу ключей 3, 19 и 4, 18 таким образом, чтобы включенному состоянию ключей 3 и 19 всегда соответствовало выключенное состояние ключей 18 и 4, а включенному состоянию ключей 18 и 4 - выключенное состояние ключей 3 и 19, Длительность и частота включенного состояния ключей регулируются, 7 3372а фиг. 6 кривая 20 - график тока через секцию 10-3, кривая 21 - график тока через секцию 13-12, кривая 22 - график гока через дуговой промежуток 8.Генератор импульсов сварочного тока по фиг. 5 работает следующим образом.Б момент Сц (фиг, 6) дуговой про межуток 8 приводится в проводящее состояние. Это можно сделать с помощью, например, осциллятора или касанием электрода поверхности изделияПри подаче сигнала управления с блока 5 на управляемые ключи 3 и 19 они включаются. При этом секция 10-13 через включенный ключ 3 и дуговой промежуток 8 заряжается от источника 1 питания. Ток протекает по цепи 9 - 3 - 20 О - 13 - 6 - 8 - 7 - 14. При этом увеличивается ток как цепи секции 10-13, так и в цепи дуги. Ток в секции 13-12 равен нулю, В момент блоком 5 управляемые ключи 3 и 19 выключаются, а ключи 4 и 18 включаются, Ток в цепи дуги скачком уменьшается до нуля. Секция 13-12 через включенный ключ 4 подключается к источнику 1 питания через дуговой промежуток 8 и заряжается. Ток протекает по цепи 14 - 7 - 8 - 6 - 13 - 12 4 - 11 - 14, При этом ток в цепи дуги увеличивается в обратном направлении вместе с током секции 13- 35 12, а ток в секции 10-13 уменьшается, протекая по цепи 1 О - 13 - 18 - 10, из-за диссипации ее энергии на внутреннем сопротивлении и сопротивлениях ключа 18, соединительных проводов 40 и контактных соединений, В момент токи в обеих секциях не равны нулю и блоком 5 снова включаются ключи 3 и 19, а ключи 4 и 18 выключаются. При этом ток дуги скачком изменяет свое 45 направление и становится равным току секции 10-13, которая снова заряжается. Ток увеличивается в цепи дуги и секции 10-13, протекая по цепи 9 3 - 1 О - 13 - 6 - 8 - 7 - 14 - 9, а 50 ток секции 13-12 уменьшается, протекая по цепи 13 - 12 - 19 - 13, из-за диссипации ее энергии на внутреннем сопротивлении и сопротивлениях ключа 19, соединительных проводов и контакт ных соединений, В момент 1 токи в обеих секциях не равны нулю, блоком 5 управления снова включаются ключи 4 и 18, а ключи 3 и 19 выключаются. При этом ток дуги скачком изменяет свое направление и становится равным току секции 13-12, которая снова заряжается. Далее генератор импульсов сварочного тока по фиг. 5 работает аналогично. Выбирая различные соотношения индуктивностей секций 10-13 и 13-12, за счет, например, изменения количества витков, можно регулировать соотношение амплитуд токов прямой и обратной полярностей, Изменяя блоком 5 управления моменты переключения ключей 3, 4, 18 и 19, можно регулировать частоту и соотношение длительностей импульсов токов разных полярностей,Управляемые ключи, выполненные на полностью управляемых полупроводниковых приборах (транзисторах, оптоэлектронных приборах, запираемых тринисторах), в настоящее время могут обеспечить эффективную коммутацию сравнительно небольших токов. При токах в сотни ампер более целесообразно использование неполностью управляемых приборов - тиристоров, которые снабжены узлами искусственной коммутации. В частности, в генераторе импульсов сварочного тока по меньшей мере один из ключей, например ключ 3, может быть выполнен в виде тиристорного мостового коммутатора (фиг. 7) на тиристорах 23-26 с конденсатором 27 в диагонали.В зависимости от алгоритма управления тиристорами 23 - 26, коммутатор может работать в нескольких режимах.В первом режиме тиристоры 23 и 24 являются силовыми, а тиристоры 25 и 26 - коммутирующими. Для включения коммутатора сигналы управления одновременно подаются на тиристоры 23 и 24, они включаются и ток протекает через коммутатор. Для выключения коммутатора один из тиристоров 23 или 24 запирается. Запирание осуществляется путем подачи сигнала управления на один из коммутирующих тиристоров 25 или 26 в зависимости от полярности напряжения предварительно заряженного конденсатора 27. Если полярность на нем такова, как на фиг. 7 без скобок, то сигнал управления подается на тиристор 25. В этом случае к тиристору 23 через открытый тиристор 25 прикладывается обратное напряжение и он запирается. Ток через коммутатор помере перезаряда конденсатора 27 умснь шается до нуля. Если полярность напряжения на конденсаторе 27 такова, как оказана в скобках, то сигнал уп 5 равления подается на тиристор 26. При этом запирается силовой тиристор 24,Для следующего включения коммутатора сигнал управления снова подается на оба тиристора 23 и 24Во втором режиме работы поочередно включаются пары тиристоров 23, 26 и 24, 25, расположенные в противоположных плечах моста.При включении тиристорон 23 и 15 26 конденсатор 27, имеющий полярность напряжения, показанную в скобках, перезаряжается через тиристоры 23 и 26 и внешнюю цепь. Когда он перезарядится до необходимого уроння напряжения 20 в полярности без скобок, включаются тиристоры 24 и 25. К тиристорам 23 и 26 прикладывается обратное напряжение и они запираются. Конденсатор 27 начинает перезаряжаться н обратной полярности через тиристоры 24 и 25 и внешнюю цепь, Таким образом, за счет циклического перезаряда конденсатора 27 коммутатор пропускает ток до тех пор, пока подаются сигналы управления З 0 на тиристоры 23-26. При снятии сигналов управления цикличность перезаряда конденсатора нарушается и ток через коммутатор прекращается.Первый режим работы коммутатора це целесообразно использовать при сравнительно низкой частоте работы коммутатора. Б этом случае установленная мощность тиристоров невелика. При увеличении частоты импульсов установ ленная мощность тиристоров возрастает На высоких частотах (несколько кило- герц) целесообразно использовать второй режим работы, позволяющий получить более высокую предельную часто ту коммутаций.По сравнению с известным генератор обладает следующими преимуществами,Для компенсации возмущающих воз действий на дугу и стабилизации ее горения в индуктивном накопителе прототипа необходим минимальный запас энергии А,. Кроме этого, для проведения тока через дугу в течение одного из импульсов необходим дополнительный запас энергии А,. Таким образом, макАсимальная энергия А , на которую должен быть изготовлен индуктивный накопцтель прото цц; Л = Л + Л)1 2 1 ссли эцерии ц цси бу 1 ет запасено м цыме, то или ду а будет гореть цеус ойчино, изи ц будет обеспечена цссбходилс длительцость протекация импульсов тока, чо приведет к цояв.пецию бестоковой паузы в дуге и прекращению сварочного процесса,В предлагаемом генераторе запасаемая н индуктивном накопителе эцергия может быть цацительцо ниже и ограничена только энергией, необходимой для стабильного горения дуги, В этом случае поддержание необходимой ста - бип,ности импульса тока осупц с твляет - ся це за счет энергии, запасаемой в индуктивном цакопителе, а за счет эцергии, потребляемой от источника питания. Зто позволяет уменьшить индуктивность секций индуктивного накопителя и, следовательно, уменьшить массу, габариты и расход активныхматериалов на его изготовление,Меньший запас энергии в индуктивном накопителе позволяет использоватьисточники питания с меньшим напряжением холостого хода, что также улуч - шает массогабаритные показатели генератора.Длительность протекания тока любой полярности н предлагаемом генераторе гораздо больше. Практически он может быть любым и генератор может использоваться даже для сварки постоянным током любой полярности, что значительно расширяет его функциональные возможности. Гирокий диапазон изменения параметров импульсов сварочного тока позволяет повысить качествосварного шва за счет возможности установки оптимальных параметров импульсов в каждом отдельном случае, а также рационально распределить энергию между свариваемым изделием и вольфрамовым электродом, что повышает его долговечность и снижает расход вольфрама.изобретенияФормула1. Генератор импульсов сварочноготока, содержащий источник питания,двухсекционный индуктивный накопительэнергии, первую и вторую выходные клеммы, между которыми включен дуговой промежуток, первый и второй управляемые ключи, блок управления, причем перньй вывод источника питания13312 через первый управляемый ключ присоединен к первому выводу индуктивного накопителя энергии, второй вывод источника питания через второй управляемый ключ соединен с вторым выводом индуктивного накопителя, перваявыходная клемма присоединена к отводуот места соединения секций индуктивгного накопителя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения качества сварного соединения, источник питания выполнен с выводом от средней точки, который соединен с второй выходной клеммой. 152. Генератор по п. 1, о т л и - ч а ю щ. и й с я тем, что.в него введены третий и четвертый управляемые ключи, соединенные с блоком управления последовательно и присоединенные.параллельно индуктивному накопителю энергии, причем точка соедине 12ния управляемых ключей соединена с второй выходной клеммой.3. Генератор по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что индуктивный накопитель энергии выполнен в виде двух магнитно не связанных секций и в него введены пятый и шестой управляемые ключи, которые соединены с блоком управления последова-.вательно и присоединены параллельно индуктивному накопителю энергии, причем точка соединения управляемых ключей соединена с первой выходной клеммой. 4. Генератор по п, 1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что по крайней мере один из управляемых ключей выполнен в виде тиристорного мостового коммутатора с конденсатором в диагонали,