Источник питания для дуговой сварки

СОЮЗ СОВЕТСНИСОЦИАЛИСТИЧРЕСПУБЛИН х а 4 В О о содер 1 е исом, автор, выпстему ительн разова- Эле- позвоемы уп 1 а проа и продозы билизионтуром,ах коЯ ключа ГОВОИ АНИН Д етсявияразм из системьбнуляютсякается, Нпроисходанни короодят в исвливается 54) ИСТОЧНИК ПИТВАРКИ57) Изобретение бласт польз ОТНОСИТможет бсваркитродамиие качет повьпп я цепе ыть ис1стальнь ехники элек он х издеизобарного для дуговой тучными эле ия - улучше ения за сч н Целства ере лийретесоед стануправл си адежно ни ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ ОПИСАНИ М АВТОРСМОМУ(71) Ленинградский электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) и Всесоюзный научно-исследовательски. проектно-конструкторский технологиче ский институт электросварочного оборудования(56) Закс М.И. Свараные выпрямители Л,: Знергоатомиздат, 1983, с. 96.Патент Великобритании У 1546211, кл. Н 02 Р 13/18, 1979. сти зажигания дуги. Устройств жит последовательцо соединенц точник питания постоянным ток тономцьп ицвертор, трансФорма прямитель, Фильтр, нагрузку, управления цнвертором и допол три ключа, Функциональный пре тель, интегратор и ограничите менты, введенные в устройство ляют изменять структуру сист равления в зависимости от эта цесса сварки. Когда горит дуг исходит расплавление очередцот переносимого металла, ток ста руется инерционным замкнутым содержащим интегратор. На эта ротких замыканий ицтегратор и его начальные усл система регулирова еобходимая коммутаци ит с помощью ключей. ого замыкания ключидное положение и восамкнутая структураия, 2 ил, 1279770Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано длядуговой сварки стальных иэделий штучными электродами.Цель изобретения - повышение качества сварного соединения путем повышения надежности зажигания дуги иустойчивосфи ее горенияНа фиг,1 представлена структурнаясхема источника питания, на Фиг.2 -10временные диаграммы, иллюстрирующиеего работу,Устройство содержит последовательно соединенные источник 1 питания постоянного тока (фиг1), инвертор 2,трансформатор 3, выпрямитель 4,фильтр 5, нагрузку (сварочную цепь)6 и систему управления инвертором,в состав которой входят датчик 7 тока, включенный последовательно с нагрузкой, датчик 8 напряжения, подключенный параллельно нагрузке. Выходдатчика тока подключен к первым входам первого 9 и второго 10 компараторов, выход датчика напряжения - кпервому входу третьего компаратора11. Вторые входы компараторов подключены соответственно: первого - квыходу источника 12 напряжения устав ки, второго - к первому источнику 13опорного напряжения, третьего - квторому источнику 14 опорного напряжения. Выход первого компаратора 9чеРез последовательно включенные интегратор 15, ограничитель .16 и первыйключ 17 подключены к входу преобразователя 18 напряжения в частоту, выход которого соединен с управляющимвходом инвертора 2, Параллельно .интегратору подключен второй ключ 19.Выход второго компаратора 10 черезпоследовательно соединенные дифференцирующую цепь 20, участок вход - первый выход генератора импульсов 21 со единен с первым входом сумматора 22,Второй выход генератора 21 подключенк первому входу схемы ИЛИ 23. Выходтретьего компаратора 11 подключен квторому входу схемы ИЛИ 23. Между вы-Оходом источника 12 напряжения уставки и вторым входом сумматора включенофункциональный преобразователь 24Выход сумматора 22 через третий ключ25 подключен к входу преобразователянапряжения в частоту 18. Управляющиецепи всех трех ключей объединеныи подключены к выходу схемы ИЛИ23,На фиг.2 представлены временныедиаграммы: 26 - напряжения нагрузки,27 - тока нагрузки 28 - выходногонапряжения дифференцирующей цепи,29 - напряжения на первом выходе генератора 21, 30 - напряжения на втором выходе генератора 21; 31 - входного напряжения преобразователя 18;32 - напряжения на выходе схемыИЛИ 23,Устройство работает следующим образом.При подключении источника 1 питания постоянного тока и источника питания системы управления (не показан)при разомкнутой цепи 6 на выхрде компаратора 9 появляется сигнал, пропорциональный напряжению источника12, так как выходное напряжение дат 1чика 7 тока равно О. Сигнал компаратора 9 через интегратор 15, ограничитель 16, ключ 17 поступает на входпреобразователя 18, частота выходныхимпульсов которого пропорциональнаего входному напряжению и, следовательно, нарастает до значения, фиксированного ограничителем 16, Импульсыпреобразователя 18 отпирают вентилиинвертора 2, выполненного, например,по последовательной резонансной схеме, Выходное напряжение и -",ертора 2в этом случае пропорционально частотезапускающих импульсов. Это напряжениепосле трансформации, выпрямления иФильтрации (блоки 3-5, фиг,1) прикладывается к нагрузке 6, измеряется датчиком 8, с выхода которого сигнал поступает на первый вход компаратора 11,Последний работает таким образом, чтопри превышении сигнала первого входанад напряжением источника 14 на выходе его - сигнал "0", в противном случае "1", Величина выходного напряженияисточника 14 выбрана несколько большей (на 1-2 В) выходного напряжениядатчика 8 при коротком замыкании сварочной цепи 6, В случае холостого ходана первом входе блока 11 действуетбольшее напряжение, на выходе его ина втором входе схемы ИЛИ 23 - сигнал "0",Генератор 21 импульсов имеет двавыхода, на первом из эих сигнал имееттреугольную Форму, на втором - прямоугольную с амплитудой, соответствующей логической "1", и совпадает подлительности с сигналом первого выхода. Запуск генератора 21 возможентолько положительным импульсом с выхода дифференцирующей цепи 20, который появляется при переходе компаратора 10 из состояния "0" в состояние"1". Компаратор 10 работает таким образом, что при превышении сигнала первого входа над напряжением источника13 на выходе его - сигнал "0", в противном случае "1". Величина выходногонапряжения источника 13 выбрана равной выходному напряжению датчика 7тока при токе нагрузки, меньшем минимального сварочного тока (5-10 А).Таким образом, в случае холостого хода сварочной цепи сигнал на выходекомпаратора 10 соответствует "0", навсех входах и выходе схемы ИЛИ 23"0". Нулевому сигналу на управляющихвходах ключей 17, 19 и 25 соответствует положение 1, единичному - положение 2, т.е. при холостом ходе сварочной цепи ключи 19 и 25 разомкнуты,ключ 17 замкнут.В момент 1 (Фиг.2) начала сваркипроизводится замыкание цепи 6 путемкасания электродом свариваемого изделияНапряжение нагрузки падаетниже уровня срабатывания компаратора11 (пунктирная линия на диаграмме 2 бзФиг.2), выходной сигнал компаратора11 и следовательно, управляющий сигнал ключей становится равным 1, ключи 19 и 25 эамьйаются, ключ 17 размыкается. Одновременно появляется токнагрузки (диаграмма 27, фиг.2),вследствие чего сигнал па первом входе компаратора 10 превышает порог егосрабатывания (пунктирная линия на диаграмме 27). Компаратор 10 переходитв состояние "1", положительный перепад его выходного сигнала передаетсячерез дифференцирующую цепь 20 навход генератора 21 (диаграмма 28,Фиг.2), который вырабатывает импульсы на первом (диаграмма 29, фиг.2)и втором (диаграмма 30) выходах.В интервале времени- на вхо 1де преобразователя 18 действует напряжение, равное сумме выходного напряжения Функционального преобразователя 24, пропорционального сигналууставки, и напряжения первого выходагенератора 21 (диаграмма 31, фиг,2).В начале указанного интервала часто 55та запускающих импульсов инвертора2, следовательно, мощность, котораяможет быть передана в нагрузку, максимальна, ток нагрузки резко возрастает (диаграмма 27), происходит ин 4тенсивный разогрев контакта электрод - изделие, расплавление материала электрода и его частичное испарение.Таким образом создаются условия для ионизации газа разрядного промежутка сначала за счет термоэлектронной эмиссии, затем, по мере расплавления конца электрода и образования разрядного промежутка, эа счет авто- электронной эмиссии, термической ионизации и возникновения дуги, горящей в парах свариваемого металла.Форма импульса генератора 2 (диаграмма 29) близка к треугольной, а параметры импульса выбраны так чтобы закон изменения мсщности нагрузки обеспечивал интенсивный прогрев металла в начале сварки, гарантированное зажигание и устойчивое горение дуги к моменту(фиг.2)2окончания импульса, В течение интервала-С частота инвертора 2 падает, сопротивление нагрузки растет, поэтому, начиная с момента 1 определяемого параметрами импульса генератора 2 1 и Фильтра 5 (фиг. 1), ток нагрузки падает, а напряжение на ней продолжает расти, затем, по окончании процесса подготовки и зажигания дугового разряда, так же спадает (диаграмма 26, фиг,2).Таким образом обеспечивается устойчивое зажигание дуги в начале сварки. Значительный бросок мощности в первый момент и определенный закон изменения ее в процессе установления дугового разряда и теплового равновесия в сварном шве исключает явлениезалипанияэлектрода, что улучшает качество шва и обеспечивает облегчение труда сварщика.Если по каким-либо причинам (загрязнение поверхности иэделия, наличие окалины, плохой контакт в электрододержателе и т.п.) дуга при первою касании не возникает, ток нагрузки становится равным О, компаратор 10 устанавливается в "0", ключи 17, 19 и 25 переходят в положение "1". При следующем замыкании цепи нагрузки процесс повторяется. В процессе сварки, когда горит дуга и при капельных коротких замыканиях компаратор 10 находится в состоянии "1", генератор 21 не работает, на первых входах сумматора 22 и схемы ИЛИ 23 нулевые сиг 1279770налы. На участках горения дуги без коротких замыканий, например, в интервале- (фиг,2), ток нагрузки4 5стабилизируется за счет цепи отрицательной обратной связи, образованной 5 датчиком 7, компаратором 9, интегратором 15 и преобразователем 18 на уровне, определяемом сигналом источника 12, При замыкании дугового промежутка каплей металла, падающей с электрода на изделие, напряжение на нагрузке резко снижается (интервалы-с , диаграмма 26, Фиг.2),4 ф 5 бфкомпаратор 11 устанавливается в состояние "1", которое через схему 23 передается на управляющие цепи ключей. Последние переходят в положение 2 (диаграмма 32, Фиг.2). Ключ 19 за - мыкает вход интегратора на выход, таким образом на входе ограничителя 16 устанавливается выходной сигнал компаратора 9. Этот сигнал отрицателен, так как ток короткого замыкания превышает ток установленного режима сварки, При отрицательном входном сигнале ограничителя 16, в качестве которого может быть использован стабилитрон с заземленным анодом, выходной сигнал его близок к О. На входе преобразователя 18 напряжения в частоту действует сигнал Функционального преобразователя 24, пропорциональный сигналу источника 12.Характеристика преобразователя 24 выбрана так, чтобы ток короткого замыкания с учетом нелинейности характеристик блоков 18, 2-4 был связан определенным образом с режимным сварочным током. Оптимальная форма характеристики блока 24 может быть найдена экспериментально, так как если ток слишком мал, во время короткого замыкания выделяется мощность, недостаточная для сохранения условия по следующего зажигания дуги, возможно "залипание" электрода, а если ток больше оптимального усиливается разбрызгивание металла, поскольку давление дуги на металл пропорционально квадрату тока.Выходной сигнал блока 24 значительно меньше амплитуды импульса генератора 21, поэтому указанный процесс первого зажигания дуги практи 55 чески не зависит от режима сварки.Для сохранения устойчивой дуги и получения высокого качества шва (малое разбрызгивание, предотвращение выгорания легирующих добавок, интенсивного испарения на границе капляжидкая ванна) необходимо выполнитьследующие условия: фронт нарастанияимпульсов тока короткого замыканиядолжен быть крутым, амплитуда этогоимпульса должна быть оптимальной,спад импульса должен быть крутым, ноток не должен уменьшаться ниже режимного значения,В предлагаемом устройстве малыедлительности фронта и спада обеспечиваются путем изменения структуры системы управления в зависимости от этапа процесса сварки: когда горит дугаи происходит расплавление очереднойдозы переносимого металла, ток стабилизируется инерционным замкнутым контуром, содержащим интегратор 15(Фиг,1). На этапа.: коротких замыканийинтегратор исключается из системы,его начальные условия обнуляются, система регулирования размыкается. Оптимальность амплитуды импульсов токакороткого замыкания обеспечивает связьее с напряжением уставки и выбор характеристики преобразователя 24, Поокончании короткого замыкания ключипереходят в положение 1, восстанавливается замкнутая структура системырегулирования, но поскольк-. выходнойсигнал интегратора формируется немгновенно, входной сигнал преобразователя 18 имеет провалы до О (например, моменты С ,на диаграмме 31, фиг.2), В токе нагрузки провалы отсутствуют за счет свободного рассеяния энергии, запасенной Фильтром 5, однако спад тока происходит быстро (сопротивление нагрузки растетпостоянная времени ее уменьшается). В предлагаемом устройстве по сравнению с известным обеспечивается более высокая производительность процесса сварки за счет более надежного первого зажигания дуги, в том числе на холодный и плохо очищенный металл, более устойчивого горения дуги при капельном переносе металла, Дополнительно повышается качество шва, снижаются потери электродного металла, упрощается обслуживание источника, снижается стоимость сварочных работ, так как высокой квалификации для их проведения не требуется.Формула изобретения Источник питания для дуговой сварки, содержащий последовательно соединенные источник питания постоянным 5 током, автономный инвертор, трансформатор, выпрямитель, фильтр, нагрузку и систему управления инвертором, содержащую преобразователь напряжения в частоту, датчики тока и напряжения10 нагрузки, три компаратора, генератор импульсов с двумя выходами, сумматор, схему ИЛИ, два источника опорного напряжения, источник напряжения уставки и дифференцирующую цепь, о т л и ч а 15 ю щ и й с я тем, что, С целью улучшения качества сварного соединения за счет повышения надежности зажигания дуги, в источник введены три ключа, функциональный преобразователь, интегратор и ограничитель, причем выход интегратора через последовательно соединенные ограничитель и первый ключсоединен с входом преобразователя напряжения в частоту, второй ключ включен параллельно интегратору, третийключ включен между выходом сумматораи входом преобразователя напряженияв частоту, первый вход сумматора со-.единен с первым выходом генератораимпульсов, второй вход сумматора - свыходом функционального преобразователя, вход функционального преобразователя соединен с выходом источниканапряжения уставки и с входом первогокомпаратора, вход генератора импульсов соединен через дифференцирующуюцепь с выходом второго компаратора,управляющие цепи ключей подключены квыходу схемы ИЛИ, первый вход которойподключен к второму выходу генератора импульсов, а второй входсхемы ИЛИ - к выходу третьего компаратора.(акт 1001го комитета ССС ака одписно и открытииая наб д, 4/ иэводственно-полиграфическое предприяти жго л. Проектная,001/12 ВНИИПИ Госуда по делам и 113035, Москва, ТирственобретЖ,