Источник питания для стыковой сварки оплавлением

 

Изобретение может быть использовано при соединении металлов в машинах для стыковой сварки непрерывным оплавлением . В источнике питания для стыковой сварки оплавлением инвертор снабжен коммутирующими дросселями, включенными последовательно с коммутирующими тиристорами инвертора Дроссели в этих цепочках, подключенных к одноименным полюсам инвертора, встречно магнитосвязаны. Кроме того магнитосвязанные коммутирующие дроссели выполнены в виде винтовой двухходовой обмотки, каждый ход которой соответствует одной коммутирующей индуктивности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Si)5 В 23 К 11/04, 11/24

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4893809/08 (22) 25.12,90 (46) 23.11.92. Бюл. ¹ 43 (71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт электросварочного оборудования (72) Б,А.Будилов, Л.И,Сахно, О.И.Сахно, К.С,Сергеев и H.ß.Ñìèðíîâ (56) Авторское свидетельство СССР № 841855, кл. В 23 К 11/04, 1977, Авторское свидетельство СССР № 1706803, кл. В 23 К 11/04, 1990 (54) И СТОЧ Н И К П ИТА Н И Я ДЛ Я СТЫ КОВОЙ СВАРКИ ОПЛАВЛЕНИЕМ

Изобретение относится к сварке металлов и может быть использовано в машинах для стыковой сварки непрерывным оплавлением изделий с большим поперечным сечением, Известны машины для стыковой сварки оплавлением, содержащие мостовые инверторы на тиристорах, в диагонали которых включены сварочные трансформаторы. К ним относится, например, известная машина для стыковой сварки оплавлением. Инвертор с .искусственной коммутацией тиристоров. входящий в состав этой машины, позволяет получить напряжение прямоугольной формы на свариваемых изделиях, что обеспечивает устойчивость процесса оплавления и высокое качество сварки. Существенным недостатком данной машины являются ее повышенные массогабаритные характеристики, связанные с наличием в машине аккумуляторного устройства, состоящего иэ батарей электрохимических аккумуляторов. Ы „ t 776519 A) (57) Изобретение может быть использовано при соединении металлов в машинах для стыковой сварки непрерывным оплавлением. В источнике питания для стыковой свар-. ки оплавлением инвертор снабжен коммутирующими дросселями, включенными последовательно с коммутирующими тиристорами инвертора, Дроссели в этих цепочках, подключенных к одноименным полюсам инвертора, встречно магнитосвязаны. Кроме того магнитосвязанные комму.тирующие дроссели выполнены в виде винтовой двухходовой обмотки, каждый ход которой соответствует одной коммутирующей индуктивности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Ю

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является мостовой инвертор с искусственной коммутацией тиристоров, который принят за прототип. Этот инвертор содержит основные и коммутирующие тиристоры, обратные диоды, последовательно с каждым из которых включен резистор, конденсатора и дроссели, формирующие коммутирующий импульс напряжения (коммутирующие емкости и коммутирующие индуктивности), токоограничивающие индуктивности, сниel( жающие скорость роста тока (с ) в основбт ных и коммутирующих тиристорах при их включении и тока короткого замыкания при опрокидывании инвертора, Недостатком такого инвертора является существенный нагрев коммутирующих дросселей вследствие значительных потерь энергии в них, Это приводит к повышению температуры нагрева в шкафу, где установл Ho коммутационн е оборудование инвертора. что

1776519 отрицательно сказывается на надежности его работы, а также сокращает срок службы, Другим недостатком этого мостового инвертора являются большие аварийные токи при его опрокидывании. Для их ограничения в инверторе, принятом за прототип, установлены токоограничивающие дроссели, Однако в ряде случаев они не могут ограничивать амплитуду тока до требуемой величины, поскольку индуктивность токоограничивающих дросселей, является составной частью сопротивления сварочной цепи, влияет на устойчивость процесса оплавления, причем с увеличением этого сопротивления устойчивость оплавления уменьшается, В книге Контактная стыковая сварка трубопроводов" под редакцией С,И,КучукаЯценко, (Киев; Наукова думка, 1986, 206 стр.) на с.29 даны допустимые значения сопротивлений сварочной цепи при сварке труб различных диаметров и толщин, обес.печивающих устойчивый процесс оплавления. В связи с этим .величины токоограничивающих индуктивностей должны выбираться с учетом указанных значений и не всегда могут обеспечить требуемое ограничение скорости роста тока в тиристорах.

Целью изобретения является повышение надежности работы сварочной машины за счет снижения температуры нагрева коммутирующих дросселей, снижение токов короткого замыкания через коммутирующие тиристоры при опрокидывании инвертора и исключение перенапряжений на.них, Эта цель достигается тем, что в источнике питания для стыковой сварки оплавлением, содержащим источник постоянного напряжения, сварочный трансформатор, включенный в диагональ мостового инвертора, состоящего из основных и коммутирующих тиристоров, обратных диодов, подключенных к источнику постоянного напряжения через резисторы, токоограничивающих и коммутирующих дросселей, двух коммутирующих емкостей, инвертор снабжен коммутирующими дросселями, включенными последовательно с коммутирующими тиристорами инвертора, причем дроссели в этих цепочках, подключенных к одноименным полюсам инвертора, встречно магнитосвяэаны, Кроме того магнитосвя. данные коммутирующие дроссели выполнены в виде винтовой двухходовой обмотки, каждый ход которой соответствует одной коммутирующей индуктивности.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый инвертор отличается тем, что коммутирующие дроссели включены последовательно с ком10

45 мутирующими тиристорами, причем дроссели в этих цепочках, подключенных к одноименным полюсам инвертора встречно магнитосвязаны, Исследования информации об электрических схемах инверторов показывают, что отсутствуют инверторы с укаэанным подключением магнитосвязанных индуктивностей.

Указанное построение электрической схемы инвертора обеспечивает снижение нагрева коммутирующих дросселей благодаря уменьшению времени, в течение которого по ним протекает ток.

Кроме того коммутирующие дроссели, установленные последовательно с коммутирующими тиристорами снижают токи короткого замыкания через них при опрокидывании инвертора. Встречное включение коммутирующих индуктивностей обеспечивает исключение перенапряжений на закрытых коммутирующих тиристорах в процессе коммутации основных тиристоров.

На фиг.1 приведена принципиальная схема мостового инвертора, входящего в состав машины для стыковой сварки оплавлением; на фиг.2 дана форма коммутирующего тока; на фиг.3 — конструкция магнитосвязанных коммутирующих дросселей,.

Из фиг,1 следует, что к источнику питания 1 через токоограничивающие дроссели

2, 3 подсоединены основные тиристоры 4, 5, 6, 7, коммутирующие тиристоры 8, 9, 10, 11

При этом последовательно с коммутирующим тиристором 8 соединен коммутирующий дроссель 12, выводы которого обозначены "А" и "В", с тиристором 9-дроссель 13, с тиристором 10 — дроссель14. выводы которого обозначены "С" и "0", с тиристором 11 — дроссель 15, дроссели 12 и

14, а также 13 и 15 встречно магнитосвяза -. ны.

Коммутация тиристоров 4, 5 осуществляется благодаря разряду коммутирующей емкости 16, тиристоров 6, 7 — емкости 17.

Обратные диоды 18, 19, 20, 21 включены последовательно с резисторами 22, 23, 24, 50 25, общие точки резисторов 22, 24 и 23, 25 подсоединены к источнику. В диагональ моста включен сварочный трансформатор 26.

Инвертор работает следующим образом. Основные тиристоры отпираются поочередно парами 5, 6 и 4, 7 и формируют переменное напряжение прямоугольной формы на нагрузке, Коммутация тока основных тиристоров обеспечивается коммутирующими тиристорами 8, 9, 10, 11 в сочетании скоммутирующими емкостями 16,,17 и дрос1776519 селями 12, 13, 14, 15, которые формируют коммутирующий импульс напряжения, Тиристор 8 отпирается для коммутации тиристора 4, тиристор 9 для коммутации 5, 10 для

6, 11 для 7. Поскольку нагрузка сварочной машины имеет активно-индуктивный характер, для возвращения энергии в источник питания в течение определенного времени каждого полупериода работы инвертора служат обратные диоды 18, 19, 20, 21, Обычно для снижения потерь энергии и температуры нагрева дросселей, снижают величину их активного сопротивления путем увеличения площади сечения проводов, из которых они выполнены. Однако в коммутирующих дросселях, обычно представляющих собой однослойные обмотки из медного провода,.увеличение сечения проводов может привести не к снижению, а даже к увеличению активного сопротивления вследствие сильного проявления поверхностного эффекта в них. Пример, поясняющий этот эффект дан в книге И.

Ламмеранера, М. Штафля "Вихревые токи", М вЂ” Л: Энергия, 1967 r, с.90 — 99.

Сильное проявление поверхностного эффекта в коммутирующих дросселях связано с импульсным характером тока в них, Рассмотрим особенности расчета потерь в коммутирующих дросселях и влияние геометрических размеров проводов, из которых они выполнены, на степень проявления поверхностного эффекта и потери в них. Импульс коммутирующего тока 27 на фиг.2 имеет форму, близкую к полупериоду синусоиды. Длительность импульса составляет Т, и = 150 — 200 мк сек. Потери в дросселе можно рассчитать либо путем суммирования потерь, созданных гармоническими составляющими периодического тока 27, показанного на фиг.2, либо воспользоваться приближенным методом, в соответствии с которым следует рассмотреть периодический ток 28 на фиг,2 с эквивалентной часто1

TOVI fgKg = имп о

Потери, полученные для непрерывно о периодического тока 28, следует умножить

2 Тимп на долю времени, в течение которого в коммутирующем дросселе протекает ток за период Т. Этот широко используемый метод изложен в книге Л.В.Лейтеса "Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов". M. "Энергия", 1981, с.164 — 165.

Э квивалентная частота коммутирующего тока в инверторе; принятом за прототип. составляет 2000-3000 Гц.

Известно, что сопротивление дросселя переменному току Р растет с увеличе««eI частоты (И,Ламмеранер, М.Штафль "В«хревые токи", M — Л; Энергия, 1967 r, с,90-99).

Для количественной оценки этого явления удобно представить это сопротивление в виде

R = Ro Кд.п. где Ro — сопротивление дросселя постоянному току;

Кд,II, — коэффициент доба вочн ы х потерь. возникающих за счет протекания в дросселе вихревых токов.

Коэффициент добавочных потерь зависит от геометрических размеров дросселя, частоты тока f, протекающего в нем, магнитной проницаемости,и и удельной электрической проводимости материала провода.

Количественная оценка поверхностного эффекта проводится на примере уединенного провода кругового сечения.В книге

Л,Р,Неймана, К.С,Демирчяна "Теоретические основы электротехники", т.2, М.: Энергия, 1969 г., с.386 показано, что при

25, г к= V ui >2, 2

r — радиус провода кругового сечения;

N=2&f;

Кд.n. = —:составляет уже более двух, то

Ro есть сопротивление переменному току более чем в два раза превышает сопротивление постоянному току.

При f = 2000 — 3000 Гц параметр к = 2 для медного провода, у которого радиус составляет 5 — 6 мм. Эффект увеличения "".,oïðîòèEIления переменному току по сравнению с сопротивлением постоянному току для однослойных обмоток еще существеннее, чем

40 для уединенного провода. Проведенные опыты показали, что увеличение площади сечения провода, из которого выполнены коммутирующие дроссели. не обеспечивают требуемые температурные режимы их рабо45 ты, Установка коммутирующих дросселей последовательно с коммутирующими тиристорами обеспечивают уменьшение времени, в течение которого протекает ток по дросселям, что снижает потери в них и температуру нагрева.

Однако при этом появляются перенапряжения на коммутирующих тиристорах so время коммутации основных. Например при включении тиристоров 8, 11, обеспечиваю55 щих коммутацию основных тиристоров 4, 7, на закрытых коммутирующих тиристорах 9, . 10 появляется скачок напряжения, связанО Iê

НЫйСОСКаЧКОМНаПРЯжЕН«Я UI =-Lu — — — На

1776519 коммутирующих дросселях 12, 15. Величина может в несколько раз превышать напряжение Ед на входе инвертора, — индуктивность коммутирующего дросселя;

I» ток коммутации, С целью снижения этого скачка в предлагаемом изобретении дроссели 12 и 14, а также 13, и 15 встречно магнитосвязаны, При этом скачок напряжения на закрытых коммутирующих тиристорах составляет Ui =

d l» б 1» d i»

=L» — — M = L» (1 — K)

dt dt dt где

М-взаимная индуктивность дросселей 12 и

14 или 13 и 15;

К = — — коэффициент связи этих дросМ

L» селей.

При обеспечении коэффициента связи, близким к единице, перенапряжение на тиристорах 9 и 10 практически отсутствует, Такое значение коэффициента связи может быть достигнуто путем выполнения магнитосвязанных индуктивностей в виде трансформатора с коэффициентом трансформации, равным 1. Однако трансформатор имеет нелинейную зависимость напряжения от тока, что может отрицательно сказаться на работе инвертора, поэтому такое решение, а также конструкция обмоток со сталью в данной работе не рассматривается.

Максимальная магнитная связь между коммутирующими дросселями К - max, при которой предлагаемое решение будет наиболее эффективным, обеспечивается за счет близкого расположения витков магнитосвязанных коммутирующих реакторов. В связи с этим магнитосвязанные дроссели предлагается выполнить в виде винтовой двухходовой обмотки, каждый ход которой соответствует одной коммутирующей индуктивности, На фиг,З дано осевое сечение такой обмотки, причем обмотка с выводами

"а". "Ь" соответствует одному, а "с", "d"другому коммутирующему дросселю, Описани такой обмотки дано в книге Г.Н.Петрова "Электрические машины", М.:

Энергия, 1974, ч.1, с.98.

Коэффициент связи таких катушек зависит от их геометрических размеров. Например. если катушки выполнены из провода квадратного сечения, при плотной намотке проводов коэффициент связи может составить до 0,5 (П.Л.Калантаров, Л.А,Цейтлин

"Расчет индуктивностей", Л.: Энергоатомиздат, 1986,c,311,312), Следовательно установка таких магнитосвязанных дросселей позволяет в два раза снизить скачок напря10

55 жения на коммутирующих тиристорах и исключить перенапряжение на них.

При аварийном режиме работы инвертора, когда одновременно включены коммутирующие тиристоры 8. 9 или 10. 11 скорость нарастания тока короткого замыкания ограничивается не только индуктивностями 2, 3 как в прототипе, но и коммутирующими дросселями 12, 13 или 14, 15. Отметим, что в нормальном режиме работы инвертора эти индуктивности входят в сопротивление сварочной цепи лишь на интервалах коммутации (приблизительно 0,1 Т при частоте работы инвертора 50 Гц) и не влияют на режим оплавления деталей. Если одновременно включены все четыре коммутирующих тиристора, то аварийный ток в них дополнительно по сравнению с прототипом ограничен величиной 1(1 — К).

Предложенная схема инвертора имеет следующие преимущества; снижение потерь нагрева коммутирующих индуктивностей и температуры воздуха в шкафу, где установлено коммутационное оборудование, снижение перенапряжений на коммутирующих тиристорах и токов в коммутирующих тиристорах при опрокидывании инвертора.

Это существенно повышает надежность работы инвертора и сварочной машины в целом.

Формула изобретения

1. Источник питания для стыковой сварки оплавлением. содержащий источник постоянного напряжения, сварочный трансформатор, включенный в диагональ мостового инвертора, состоящего из основных и коммутирующих тиристоров, обратных диодов, подключенных к источнику постоянного напряжения через резиСторы, токоограничивающих и коммутирующих емкостей, отличающийся тем, что. с целью повышения надежности работы за счет снижения температуры нагрева коммутирующих дросселей. исключения перенапряжений на коммутирующих тиристорах и снижения аварийных токов в них при опрокидывании мостового инвертора, коммутирующие дроссели включены последовательно с коммутирующими тирисгорами инвертора, причем дроссели в этих цепочках, подключенных к одноименным полюсам инвертора, встречно магнитосвязаны, 2, Источник поп.1, отл ич а ю щи йс я тем, что магнитосвязанные коммутирующие дроссели выполнены в виде винтовой двухходовой обмотки, каждый ход которой соответствует одной коммутирующей индуктивности.

1776519

1776519

Составитель Б, Будилов

Техред M. Ìîðãåíòàë Корректор Н. Слободяник

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород . ул.Гагарина, 101

Заказ 4092 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5