Источник питания для дуговой сварки

 

Использование: источник питания предназначен для дуговой сварки в различных отраслях машиностроения и при производстве строительных и монтажных работ. Сущность изобретения: в источник, содержащий транзисторный инвертор, вторичный выпрямитель, сглаживающий реактор и блок управления, для улучшения его технологических свойств путем оперативного изменения формы внешней характеристики введены сумматор и функциональный генератор. При этом на вход задания блока управления подается сумма постоянного опорного напряжения и переменного сигнала с выхода функционального генератора, синхронизированного тактовой частотой. Причем форма и уровень этого сигнала определяют форму внешней характеристики. Функциональная обособленность и минимальное количество связей введенных элементов позволяют легко реализовать программное управление формой внешней характеристики. 5 ил.

Изобретение относится к области сварочного производства и предназначено для дуговой сварки как плавящимся, так и неплавящимся электродом и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, при производстве строительных и монтажных работ.

Известны источники питания с инверторным преобразователем, применяемые для дуговой сварки [1, 2] Для формирования внешней характеристики источника используются многоконтурные системы регулирования, имеющие входы обратных связей по току и направление дуги. Из условия устойчивости системы известно, что дополнительные контуры регулирования имеют большее время реакции, чем основной контур. Это приводит к значительному отличию динамической характеристики источника от статической, что ухудшает технологические свойства процесса сварки и не позволяет обеспечить стабильное качество шва при сварке различных типов соединений в различных пространственных положениях.

Из известных источников питания наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является высокочастотный транзисторный преобразователь, содержащий транзисторный инвертор, вторичный выпрямитель, сглаживающий реактор, датчик тока и блок управления, причем выход датчика тока соединен со входом ограничения тока блока управления, а управляющие входы инвертора подключены к соответствующим выходам блока управления.

Ограничение тока загрузки обеспечивается путем непосредственного компарирования мгновенного значения сигнала с выхода датчика тока. Порог ограничения задается внутренним источником опорного напряжения [3] Недостатком этого источника питания является фиксированная внешняя характеристика, которая определяется в основном параметрами элементов силовой части и не может изменяться оперативно. Это не позволяет обеспечить стабильное качество швов при сварке различных типов соединений в различных пространственных положениях.

Изобретение направлено на улучшение технологических свойств источника питания путем обеспечения возможности оперативного изменения в широких пределах наклона внешней характеристики источника питания, что позволяет обеспечить устойчивость горения дуги и стабильность качества сварных соединений благодаря ограничению отклонений энергетических параметров режима сварки при различных технологических возмущениях.

Это достигается тем, что в источник питания для дуговой сварки, содержащий транзисторный инвертор, вторичный выпрямитель, сглаживающий реактор, соединенные каскадно, а также датчик тока и блок управления, имеющий входы ограничения тока и задания, выходы управляющих сигналов опорного напряжения и тактовой частоты, причем вход ограничения тока соединен с выходом датчика тока, выходы управляющих сигналов соединены с соответствующими входами транзисторного инвертора, введены аналоговый сумматор и функциональный генератор. При этом первый вход и выход сумматора соединены соответственно с выходом опорного напряжения и входом задания блока управления, выход функционального генератора соединен со вторым входом сумматора, а вход синхронизации функционального генератора подключен к выходу тактовой частоты блока управления.

На фиг. 1 приведена функциональная блок-схема источника питания; на фиг. 2 кривые изменения тока в реакторе и кривые изменения его действующего и амплитудного значений для случая плавного изменения напряжения на нагрузке; на фиг. 3 исходная внешняя характеристика источника питания при выключенном функциональном генераторе; на фиг.4 диаграмма напряжения задания; на фиг.5 - формирование "штыковой" внешней характеристики источника питания.

Позиции на чертеже обозначают: 1 транзисторный инвертор; 2 вторичный выпрямитель; 3 сглаживающий реактор; 4 датчик тока; 5 блок управления инвертором; 6 выход управления; 7 вход ограничения тока; 8 вход задания; 9 выход опорного напряжения с блока управления; 10 выход тактовой частоты с блока управления; 11 сумматор; 12 функциональный генератор; 13 ток в реакторе; 14 амплитудное значение тока в реакторе; 15 действующее значение тока в реакторе; 16 исходная внешняя характеристика источника питания (действующее значение тока); 17 амплитудное значение тока на выходе источника питания; 18 опорное напряжение U_оп; 19 сигнал функционального генератора U_г=f(t); 20 исходная внешняя характеристика источника питания; 21 амплитудное значение тока источника; 22 - результирующая внешняя характеристика источника питания.

Транзисторный инвертор 1, вторичный выпрямитель 2, сглаживающий реактор 3 соединены каскадно. Датчик тока 4 включен в цепь питания инвертора 1 и соединен с блоком управления 5, с которым соединены введенные в устройство элементы, аналоговый сумматор 11 и функциональный генератор 12.

Блок управления 5 имеет следующие внешние соединения: вход ограничения тока 7 и вход задания 8 подключены соответственно к выходам датчика тока 4 и аналогового сумматора 11. Выход опорного напряжения 9 соединен с первым входом сумматора 11, а выход тактовой частоты 10 со входом синхронизации функционального генератора 12. Второй вход сумматора 11 подключен к выходу функционального генератора 12. При этом выходы управления 6 соединены с соответствующими входами транзисторного инвертора 1.

Устройство работает следующим образом.

Исходная внешняя характеристика источника питания формируется при выключенном функциональном генераторе 12 (см. фиг.1). В этом случае на вход задания 8 через сумматор 11 подается постоянное опорное напряжение с выхода 9. В начале каждого периода t1 блок управления 5 формирует на выходе 6 сигнал, отпирающий силовые ключи инвертора 1. При этом на выходе вторичного выпрямителя 2 появляется прямоугольный импульс напряжения, во время действия которого происходит нарастание тока 13 в реакторе 3. Напряжение на входе ограничения тока 7 также увеличивается пропорционально току нагрузки. Когда напряжение на входе 7 достигает напряжения на входе задания 8 при t2, блок управления 5 запирает силовые ключи инвертора 1. Прекращается действие импульса напряжения на выходе выпрямителя 2. С момента t2 и до окончания периода Тп происходит спад тока 13 в реакторе 3 (см. фиг.2). В следующих периодах процессы повторяются с частотой преобразования инвертора 1. При плавном увеличении напряжения на нагрузке сварочный источник питания при выключенном функциональном генераторе 12 обеспечивает стабилизацию амплитудного значения тока 14, 17, но при этом действующее значение тока 15, 16 снижается из-за роста пульсаций тока в реакторе 3 (см. фиг.2 и 3).

Внешняя характеристика источника питания описывается выражением I_н= I_a+ΔI(U_н), (1) где Iн, Iа действующее и амплитудное значение тока соответственно; ΔI(U_н) пульсация тока в функции выходного напряжения источника, которая определяется индуктивностью реактора 3 и частотой преобразования.

Амплитудное значение тока нагрузки Iа зависит только от напряжения задания Uз на входе 8 блока управления 5, Iа=KUз, (2) где K коэффициент пропорциональности, учитывающий приведение тока нагрузки к первичной стороне и крутизну преобразования ток напряжение датчика тока 4. Управление внешней характеристикой источника питания реализуется при помощи введенных элементов функционального генератора 12 и сумматора 11 следующим образом. Функциональный генератор 12 вырабатывает периодический сигнал заданной формы Uг(t), синхронизированный импульсами тактовой частоты с вывода 10 блока управления 5. При этом на вход задания 8 поступает пульсирующее напряжение с выхода сумматора 11, представляющее собой сумму постоянного опорного напряжения Uоп с выхода 9 блока управления 5 и переменного напряжения Uг(t): Uз=Uоп+Uг(t). (3) Подставляя (3) в (2) и (1), получаем
I_н= K(U_оп+U_г(t))-ΔI(U_н) (4)
или
I_н= I_аoп+I_аг(t)- ΔI(U_н) (5)
Известно выражение для нагрузочной характеристики транзисторного не резонансного инвертора (см. [3] стр. 53 (2.20))
Uн=U2·tи/Tп, (6)
где U2 амплитуда импульса напряжения на выходе вторичного выпрямителя 2; tи длительность этого импульса; Tп период следования импульсов.

Так как генератор 12 синхронизирован тактовой частотой блока управления 5, то сигнал Uг может быть представлен как функция длительности импульса
Uг=f(tи) (7)
В то же время (6) показывает пропорциональную связь между Tп и Uн. Следовательно, сигнал Uг=f(tи), входящий в (3), обеспечивает зависимость напряжения задания Uз от напряжения нагрузки Uн. Поскольку эта зависимость определяется функцией Uг=f(tи), то путем изменения формы и уровня сигнала Uг обеспечивается управление внешней характеристикой.

Таким образом, конкретная форма внешней характеристики источника питания зависит от слагаемых Iаг(t) и ΔI(U_н) из (5). Если Iаг(t) и ΔI(U_н) имеют одинаковую функциональную зависимость, то реализуется линейная внешняя характеристика, наклон которой определяется соотношением их абсолютных величин. При различных функциональных зависимостях Iаг(t) и ΔI(U_н) реализуется нелинейная внешняя характеристика источника питания.

Пусть требуется получить внешнюю характеристику питания с максимальной крутизной ("штыковую"). Из (5) известно, что величина пульсации тока ΔI(t) возрастает пропорционально квадрату напряжения нагрузки Uн². "Штыковая" характеристика реализуется, если Iаг полностью скомпенсирует спад тока при увеличении Uн, обусловленный пульсацией тока ΔI(U_н). Поскольку ΔI(t) пропорционально Uн², то для этого необходимо сформировать сигнал Uг, также возрастающий квадратично во времени (Uг пропорционально t²) и с уровнем, обеспечивающим равенство слагаемых Iаг=KUг и ΔI(U_н) в (5).

На фиг 4 приведена соответствующая диаграмма напряжения задания Uз= Uог+Uг на выходе 8 блока управления 5, а полученная при этом внешняя характеристика источника на фиг.5. Кривой 20 показана исходная внешняя характеристика инверторного источника питания при Uг=0. Кривой 21 показано изменение амплитудного значения тока Iа+Iаг при работе функционального генератора по закону Uг=f(t²). Результирующая линия 22 соответствует "штыковой" внешней характеристике источника питания.

Использование новых элементов в системе управления инверторными источниками питания выгодно отличает предлагаемый сварочный источник питания, так как позволяет формировать необходимую форму внешней характеристики, что делает его универсальным и позволяет применять при различных способах дуговой сварки, обеспечивая получение наилучших технологических свойств дуги и процесса сварки. Введенные элементы, обеспечивающие управление внешней характеристикой, не входят в контур регулирования тока, имеют минимальное количество связей с блоком управления, что позволяет легко реализовать программное управление внешней характеристикой источника.

Формула изобретения

Источник питания для дуговой сварки, содержащий транзисторный инвертор, вторичный выпрямитель, сглаживающий реактор, соединенные каскадно, а также датчик тока и блок управления, имеющий входы ограничения тока и задания, выходы управляющих сигналов, опорного напряжения и тактовой частоты, причем вход ограничения тока соединен с выходом датчика тока, выходы управляющих сигналов соединены с соответствующими входами транзисторного инвертора, отличающийся тем, что в источник питания для дуговой сварки введены сумматор и функциональный генератор, при этом первый вход и выход сумматора соединены соответственно с выходом опорного напряжения и входом задания блока управления, второй вход сумматора соединен с выходом функционального генератора, вход синхронизации которого подключен к выходу тактовой частоты блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5