Источник питания для дуговой сварки

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СоветскияСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(61) Дополнительное к авт, свид-ву(22) Заявлено 091281 (21) 3361035/25-27 Р 1 М Кз В 23 К 9/00 с присоединением заявки М 2 -Государсттвенный комитет СССР по делам изобретений н открытийОпубликовано. 230283. Бюллетень 89 7 Дата опубликования описания 230283 А.С. Васильев, С.А. Ермолин, М,И. Закс, П, М.Г. Малков и В.В. Смирнов(72) Авторыизобретен зный научно- исследовательскукторский и технологическийосварочного оборудования иЛенина электротехническийим. В.И.Ульянова (Ле Всесо конст элект орден ийпро институ енннгра нститут ина) кт(54) ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВО СВАРКИ2 лом вит- потеместным о приво- ементах чтийнибо сров,ти в 30 Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам питания сварочных установок, содержащих промежуточное звено переменного тока повышенной относительно питающей сети частоты.Известно устройство, предназначенное для дуговой сварки и содержащее промежуточный преобразователь частоты, а также соединенные последовательно мостовой высоковольтный неуправляемый выпрямитель, питающий; ся от сети переменного тока, емкостный фильтр, тиристорный.полумостовой инвертор, силовой трансформатор, содержащий первичную и вторичную обмотки, низковольтный выпрямитель, фильтр и сварочную цепь, а также систему управления .инвертором ( 1.Устройство имеет высокий КПД, так как при наличии двухобмоточного трансформатора ток нагрузки инвертора прн разорванной сварочной цепи яв-. ляется током холостого хода трансформатора.Достаточное для надежной коммутации вентилей инвертора значение этого тока обеспечивается при низком сопротивлении трансформатора со стороны его первичной обмотки, которое достигается малым исков этой обмотки, ак ымирями в сердечнике, л ов5 действием этих факто чтдит к потерям мощносисточника питания.Известно также устройство, в которое для расширенных диапазонов на грузок последовательного инверторавплоть до холостого хода вторичной обмотки введен выпрямитель, вход которого подключен к выходу инвертора непосредственно или через дополнительную обмо ку трансформатора у а выход - к зажимам питания инвертора постоянным током 123.Наиболее близким по техническойсущности к изобр.тению является ис точник питания для дуговой сварки,содержащий тиристорный последовательный инвертор, трансформатор, нагрузку и выпрямитель, причем трансформатор содержит три обмотки (первичную, вторичную и дополнительную) и схему управления инвертором. Первичная обмотка подключена к выходу инвертора, вторичная к нагрузке, дополнительная к входу выпрямителя, выход которого соединен с клеммами источника нитания инвертора постоянным током.Параллельно первичной обмоткетрансформатора подключен конденсатор 33,Недостатком источника является.невысокий КПД, что связано с наличием конденсатора, подключенного параллельно первичной обмотке трансформатора,Применение конденсатора в данномустройстве вызвано необходимостьюкомпенсации индуктивных составляющих сопротивлений Фаэ выпрямителяи инерционности его диодов с цельюувеличения скорости вывода энергиииз трансформатора во время переходных процессов; ограниченность диапазона частотного регулирования 15мощности нагрузки также связана сналичием конденсатора, сопротивление которого падает с ростом частоты.Целью изобретения является экономияэлектроэнергии за счет повышения КПД 2 ОЦель достигается тем, что в источ- .ник питания для дуговой сварки, содержащий высоковольтный выпрямитель,подключенный к вводным клеммам сети 25переменного тока, последовательно соединенные фильтр, инвертор, трансФорматор, имеющий первичную и вторичную обмотки и низковольтный выпрямитель, при этом выход последнего подключен к выходу источника, авыход высоковольтного выпрямителяподключен к Фильтру, первый и второй входы первой схемы сравнениясоединены соответственно с выходомцатчика тока и источником опорного. напряжения, выход первой схемы срав- .нения через задающий генератор соединен с последовательно соединенными делителем частоты иФормирователем импульсов, выход которого со- фединен с тиристорами инвертора, введены линия задержки, вторая схемасравнения и делитель напряжения, атрансформатор выполнен с тремя дополнительными обмотками, причем первая и третья дополнительные обмотки намотаны поверх остальных обмоток трансформатора, к выходным зажимам инвертора лодключены.две параллельные цепи, первая иэ которых Ясостоит из последовательно-согласносоединенных первичной и первой дополнительной обмотки трансформатора,а вторая из последовательно-встречно соединенных второй и третьей до- уполнительной обмоток, выход датчикатока соединен с первйм входом второй схемы сравнения, второй ее входчерез делитель напряжения соединенс источником опорного напряжения,выход второй схеьы сравнения через 6линию задержки соединен с вторымвходом задающего гененатора,На чертеже приведена блок-схема источника питания. ИИсточник питания содержит высоковольтный выпрямитель 1, вход которого подключен к питающей сети переменного тока, выход через фильтр 2- к входу последовательного тиристорч ного инвертора 3, выход которого подключен к двум параллельно соединенным целям, первая из которых образована последовательным-согласным соединением первичной 4 и первой дополнительной 5 обмоток трансФорматора 6, вторая - последовательнйм"встречным соединением второй 7 и третьей 8 дополнительных обмоток. Вторичная обмотка 9 этого трансформатора подключена к входу низково-, льтного выпрямителя 10, выход кото.рого соединен с зажимами сварочной цепи 11, в разрыв которой введен датчик тока 12, его выход соединен с одним входом первой схемы сравнения 13, к другому входу которой подключен источник опорного напряжения 14.Выход первОй схемы сравнения 13 соединен с первым входом задающего генератора 15, второй его вход через последовательно включенную линию задержки 1 б соединен с выходом второй схемы сравнения 17, первый вход которой соединен с выходом датчика тока; второй - с источником опорного напряжения через делитель напряжения 18.Выход задающего генератора через последовательно соединенные делитель настоты 19 и Формирователь (например двухканальный) импульсов 20 соединен с управляющими цепями тиристоров инвертора 3, Сварочная цепь 11 содержит электрод 21 и изделие 22.Усройство работает следующим образом.Напряжение на концах дополнительных обмоток 5 и 8 представляют собой алгебраические суммы ЭДС, наведенной намагничивающей составляющей тока первичной обмотки и падения напряжения от токов обмоток 4 и 7, т.е. нагрузочных токов в полных сопротивлениях обмоток 5 и 8, причем в обмотке 5 эти величины суммируются, а в обмотке 8 вычитаются. При замыкании электрода 21 на изделие 22 и при горении дуги в сварочной цепи 11 появляется ток, а падения напряжения преобладают над наведенными составляющими ЭДС обмоток 5. и 8, так как последние расположены поверх всех про" чих обмоток трансфррматора и имеют малое, по сравнению с первичной обмоткой, число витков (2-3) и, следовательно, слабую связь с первичной обмоткой.Если первичная 4 и вторичная дополнительная 7 обмотки идентичны по электрическим и геометрическим характеристикам (например намотаны двумя6065 параллельными одинаковыми проводниками), то и токи двух параллельных цепей, образованных обмотками 5, 4 и 7, 8 соответственно, практическиодинаковы, поскольку разность напряжений на обмотках 5 и 8 пренебрежительно мала по сравнению с напряжением на одной иэ обмоток 4 нли 7.Сумма этйх токов является током нагрузки инвертора;.В этих режимах трансформатор предлагаемого устройства, идентичен по своим электрическим параметрам двух- обмоточному трансформатору с замкнутым магнитопроводом, отличаясь лишь конструкцией первичной обмотки.При отсутствии тока сварочной цепи составляющие напряжений на концах обмоток 5 и 8, вызванные нагруэочным током, стайовятся равными нулю, В то же время наведенные составляющие возрастают количественно, так как экранирующее действие вторичной обмотки 9 на расположенные поверх нее обмотки 5 и 8 устраняются при отсутствии тока этой обмотки.в таком режиме, при сохранении условия идентичности обмоток 4 и 7, их токи нельзя считать одинаковыми, так как в замкнутой цепи, образованной последовательнйм соединением обмоток 4, 5, 8 и 7 действует ЭДС.; равная арифметической сумме напряжений обмоток 5 и 8. Ток, протекающий в указанной цепи, создает потери мощности в трансформаторе, а энергия, обеспечивающая этот процесс, поступает от инвертора в виде уравнительного тока обмоток трансформатора, являющегося одновременно током нагрузки инвертора.Данный режим аналогичем режиму двухобмоточного трансформатора вторичная обмотка которого замкнута на некоторое сопротивление, имеет число витков, равное сумме чисел витков обмоток 5 и 8, сопротивление нагрузки ее равно сумме сопротивлений обмоток 4, 5, 7 и 8 трансформатора предлагаемого устройства.Регулирование мощности, подводимой к сварочной цепи, производится путем изменения рабочей частоты инвертора, которая определяется задающим генератором, системы управле-..ния.Задающий генератор 15 представля+ ет собой управляемый преобразователь напряжения в частоту прямоугольных импульсов.и имеет два входа. При положительном потенциале на втором входе задающего генератора 15 частота следования импульсов на его выходе прямо пропорциональна напряжению на первом входе задающего генератора 15. Если потенциал на втором входе отрицателен, частота следования выходных импульсов уменьшается до заданного минимального эначения, не зависящего от сигнала напервом входе задающего генератора 15.Делитель частоты 19 распределяетвыходные импульсы задающего генератора 15 на два канала по числу тиристоров инвертора. Формирователь 20изменяет электрические параметры выходных импульсов делителя частоты сцелью согласования их с параметрамиуправляющих цепей тиристоров.10 Если источник питания предназначен для ручной сварки, система управления работает в режиме Формирования крутопадающей внешней-статическойхарактеристики, а сам источник явля ется стабилизатором тока сварочнойцепи.При включении источника в четь,когда электрод 21 не касается изде-лия 22, выходной сигнал датчика то . ка 12 равен нулю.Этот сигнал действует на первоминвертирующем) входе первой,схеьысравнения 13, на втором входе которой напряжение равно опорному.На ход прой схемы сравненияи на первом входе задающего генератора 15 действует напряжение,соответствующее максимальной частоте.Однако частота следования выходныхимпульсов задающего генератора 1530 минимальна, так как на втором еговходе действует отрицательный потенциал, формируемый второй схемой сравнения 17 и передаваемый через линиюзадержки 16, так как к первому (не инвертирующему) входу схемы сравнения 14 приложен нулевой потенциал,к второму ее входу - положительныйпотенциал источника опорного.напря-,жения, прошедший через делитель на пряжения 18.Источник работает в режиме холостого хода сварочной цепи при минимальной частоте инвертора.При замыкании электрода на иэделие в сварочной цепи появляется ток.Когда последний достигает заданногоминимального значения, например равного 0,1 йоминального сварочного тока, на выходе второй схемы сравненияпоявляется полсжительный потенциал, ф 0 через интервал времени, определяемый линией. задержки 16, этот потенциал передается на второй вход задающего генератора 15 и разрешает .его Функционирование в режиме преобраэователя напряжение - частота,а .в целом источник питания работаетв режиме стабилизатора сварочноготока.При обрыве дуги рабочая частота инвертора возрастает и достигает заданного максимального значения, таккак сигнал на выходе первой схемысравнения максимален, а прохождениеотрицательного потенциала выходавторой схемы сравнения задержива- .ется на интервал времени, определяемый. линией задержки 16. Если в течение этого интервала сварочная цепь восстановится, стабилизация тока продолжится, в противном случае по истечении времени задержки под действием выходного сигнала схемы сравнения 17 частота инвертора установится на минимальном значении,Таким образом, повышение КПД в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что трансформатор данной конструкции в нормальном режиме сварки эквивалентен двухобмоточному трансформатору с малыми потерями, т,е. имеет достаточно большую индуктивность первичной обмотки и является единственной нагрузкой инвертора.В режиме холостого хода со стороны сварочной цепи нагрузкой инвертора является уравнительный ток трансФорматора, в обмотках последнего при номинальной частоте выделяется значительная мощность, соизмеримая с номинальной мощностью нагрузки, а КПД устройства равен нулю.Такой режим, однако, практически не влйяет на средний КПД устройства, поскольку, благодаря введению элементов 16 и 17 и связей между ними и прочими элементами системы управления, он имеет весьма малую относительную продолжительность, составляющую не более 10 , в результате чего средний КПД оказывается больше КПД известного устройства на 6-7.Кроме повышения КПД, предлагаемое устройство позволяет увеличить надежность источников питания для дуговой сварки, что связанб) с отсутствием элементов, образующих цепь сброса энергии в источник постоянного напряжения, и увеличением скорости вывода энергии из первичной обмотки трансформатора. В предлагаемом устройстве эта энергия не выводится из трансФорматора, а переводится в последнем из электрической в тепловую, причем, благодаря идентичности обмоток 4, 7 и 5 и 8, соответственно, скорость рассеивания энергии всегда дОстаточна для Формирования переходного процесса без перенапряжений,Отсутствие статических и .динамических перенапряжений (ограничение напряжения холостого хода), в свою очередь, гарантирует безопасность эксплуатации такого источника.Предлагаемое .устройство имеет хорошие массо-габаритные показатели, поскольку затраты материалов на изготовление трансформатора примерно такие же, как и на изготовление двухобмоточного, так как за счет параллельного включения обмоток 4 и 7 сечение провода этих обмоток может быть в два раза меньше, чем провода первичной обмотки двухобмоточ.ного трансФорматора, а обмотки 5 и .8 имеют весьма малое число витков (как правило один)Таким образом, преимуществами предлагаемого источника по сравнению с известным являются: повышение КПД на 6-7; повышение надежности и безопасности персонала, так как выход на холостой ход происходит без. перенапряжения на элементах схемы (в схеме известного устройства перенапряжения приводили к частым ложным срабатываниям тиристоров и к "опрокидыванию" инвертора; снижение массы и габаритов на 15.-20 с учетом снижения потерь в обмотках в рабочих режимах (увеличение потерь на холостом ходе не принципиально, так какхолостой ход практически отсутствует - его длительность не более 10-30 с).При освоении серийного производства предлагаемого устройства взамен серийного сварочного выпрямителя экономический эффект составит 424 руб на одно изделие. 5 0 5 20Формула изобретения Источник питания для дуговойсварки, содержащий высоковольтный З выпрямитель, подключенный к вводнымклеммам сети переменного тока, последовательно соединенные фильтр, инвертор, трансформатор, имеющий первичную и вторичную обмотки и низко вольтный выпрямитель, при этом выход последнего подключен к выходуисточника, а выход высоковолвтноговыпрямителя подключен к Фильтру,первый .и второй входы первой схемысравнения соединены соответственно 40 с выхсуом датчика тока и источникомопорного напряжения, выход первойсхемы сравнения через задающий генератор соединен с последовательносоединенными делителем частоты иформирователем импульсов, выход которого соединен с тиристорами инвертора, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью экономии электроэнергии за счет повышения КПД источника, в него введены линия задержки,вторая схема сравнения и делительнапряжения, а трансформатор выполнен с тремя дополнительными обмотками, причем первая и третья дополнительные обмотки намотаны поверхостальных обмоток трансФорматора, квыходным зажимам инвертора подключены две параллельные цепи, первая изкоторых состоит из последовательносогласно соединенных первичной и 0. первой дополнительной обмотки трансформатора, а вторая - из последовательно-встречно соединенных второйи третьей дополнительной обмоток,выход датчика тока соединен с пер вым входом второй схемы сравнения,второй ее вход через делитель напряжения соединен с источником опорного напряаения, выход второй схемы сравнения через линию задерюси соединен с вторым входом задающего генератора.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент Великобритании9 1546211, Н 2 Г,. опублнк,23.05,79.2. Берфорд Б. Хофт Р. Теория автономных инверторов. И., "Энергияф,1969, с. 71,3. Тиристоры. Под ред. В.А.Лабунцова. И., фЭнергия", 1971, с. 294,рис. 11-20 б (прототип).