Источник питания для дуговой электросварки на постоянном токе

 

Изобретение относится к электросварке и предназначено для дуговой электросварки на постоянном токе. Предлагается схема переносного источника питания для электросварки, который может быть использован для проведения сварочных работ в строительстве, промышленности, сельском хозяйстве и в случае питания от однофазной сети, в быту. Источник содержит входной выпрямитель, входной фильтр, резонансный тиристорный инвертор, RC-цепочки, выходной выпрямитель, выходной фильтр и систему управления, работает на нагрузку в виде сварочной дуги и позволяет задавать и стабилизировать требуемое значение тока нагрузки. Особенность источника является специальное выполнение инвертора, выполнение выходного выпрямителя неуправляемым и придание системе управления функции контроля за временами, предоставляемыми на восстановление запирающих свойств тиристоров и за пиковым значением напряжения на конденсаторе инвертора с введением в нее необходимых блоков. Предлагаемый источник питания для дуговой электросварки на постоянном токе имеет более высокую надежность. 2 ил.

Изобретение относится к электросварке, а именно к сварочным источникам питания инверторного типа и может быть использовано для сварки в строительстве, промышленности, сельском хозяйстве и, при условии питания от однофазной сети, в быту.

Известен источник питания для дуговой электросварки на постоянном токе, содержащий входной выпрямитель, входной фильтр, резонансный тиристорный инвертор с обратными диодами, двумя выходными трансформаторами, первичные обмотки которых и соответствующие конденсаторы составляют два коммутирующих контура, защитным дросселем и вентилем перезаряда, а также два выходных выпрямителя, нагрузкой которых является сварочная цепь, и систему управления, представляющую собой любой известный управляемый по частоте генератор импульсов (патент Российской Федерации N 2049613, кл. B 23 K 9/00, 1995).

Однако указанный инверторный источник питания для дуговой электросварки обладает недостаточной надежностью из-за отсутствия контроля каких-либо критических параметров работы инвертора.

Кроме того, известен инверторный источник питания для дуговой электросварки на постоянном токе (Башкевич Е.И. Гейченко В.В. Карташев В.В. Киямов Р. Н. и Тефанов В.Н. Устройство для дуговой сварки на постоянном токе. Авт. св. N 1563911, СССР, B 23 K 9/00, 9/10), взятый за прототип, содержащий каскадно включенные входной выпрямитель, входной фильтр и резонансный полумостовой инвертор, а также демпфирующие RC-цепочки, включенные параллельно тиристорам инвертора, тиристорный выпрямитель, выходной фильтр, к выходным зажимам которого подключена нагрузка в виде сварочной дуги, систему управления, причем резонансный полумостовой инвертор состоит из двух тиристоров, двух диодов, двух дросселей, двух конденсаторов и выходного трансформатора, при этом анод первого тиристора, катод первого диода и первый вывод первого конденсатора подключен к положительному зажиму входного фильтра, катод второго тиристора, анод второго диода и первый вывод второго конденсатора подключены к отрицательному зажиму входного фильтра, катод первого тиристора, анод первого диода, катод второго диода и первые выводы первого и второго дросселей подключены к аноду второго тиристора, вторые выводы первого и второго дросселей подключены к первому выводу первичной обмотки выходного трансформатора, ко второму выводу которой подключены вторые выводы первого и второго конденсаторов, а система управления содержит блок управления инвертором, состоящий из задающего генератора и первого распределителя формирователя импульсов, блок управления тиристорным выпрямителем, состоящий из первого датчика тока, включенного в цепь нагрузки, задающего устройства тока нагрузки, первого устройства сравнения, первого интегратора, компаратора и второго распределителя формирователя импульсов, а также второй и третий датчики тока, включенные в цепи демпфирующих RC-цепочек, выпрямитель, второе устройство сравнения, задающее устройство допустимой скорости нарастания напряжения на тиристорах инвертора и второй интегратор, причем выходы первого датчика тока и задающего устройства тока нагрузки подключены ко входам первого устройства сравнения, к выходу которого через первый интегратор подключен первый вход компаратора, к выходу задающего генератора подключен вход первого распределителя формирователя импульсов и второй вход компаратора, выход которого подключен ко входу второго распределителя формирователя импульсов, выходы второго и третьего датчиков тока соединены через выпрямитель с первым входом второго устройства сравнения, а ко второму входу второго устройства сравнения подключено задающее устройство допустимой скорости нарастания напряжения на тиристорах инвертора, к выходу второго устройства сравнения подключен вход второго интегратора, выход которого подключен ко входу управления частотой задающего генератора.

Однако указанный инверторный источник питания для дуговой электросварки на постоянном токе с нестандартной системой управления недостаточно надежен, поскольку не производится контроль такого важного параметра тиристоров инвертора, как время нахождения их под обратным напряжением, то есть время восстановления запирающих свойств тиристоров, а также пикового значения напряжения на коммутирующих емкостях инвертора.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание источника питания для дуговой электросварки на постоянном токе с более высокой надежностью.

Это достигается тем, что в источнике питания для дуговой электросварки на постоянном токе, содержащем каскадно включенные входной выпрямитель, входной фильтр и резонансный тиристорный инвертор, а также демпфирующие RC-цепочки, включенные параллельно тиристорам инвертора, выходной выпрямитель, выходной фильтр, к выходным зажимам которого подключена нагрузка в виде сварочной дуги, и систему управления, причем резонансный инвертор имеет два тиристора, диод, дроссель, конденсатор и выходной трансформатор, при этом анод первого тиристора и катод диода подключен к положительному зажиму входного фильтра, катод второго тиристора и первый вывод конденсатора подключены к отрицательному зажиму входного фильтра, катод первого тиристора и анод диода подключены к первому выводу дросселя, первый вывод первичной обмотки трансформатора подключен ко второму выводу дросселя, а второй ко второму выводу конденсатора, а система управления имеет датчик тока, включенный в цепь нагрузки, задающее устройство тока нагрузки, устройство сравнения, интегратор и первый компаратор, причем выходы датчика тока и задающего устройства тока нагрузки подключены ко входам устройства сравнения, к выходу которого подключен вход интегратора, в резонансном инверторе анод второго тиристора инвертора подключается к месту соединения первого вывода первичной обмотки трансформатора и второго вывода дросселя, выходной выпрямитель выполняется неуправляемым, а в систему управления вводятся три датчика напряжения, два задающих устройства уставки напряжения, второй и третий компараторы, логический элемент И, три элемента управляемой задержки, задающее устройство времени задержки, логический элемент ИЛИ, генератор одиночного импульса и два формирователя импульсов управления, при этом выход первого датчика напряжения, включаемого параллельно первому тиристору инвертора, и выход первого задающего устройства уставки напряжения подключаются ко входам первого компаратора, выход второго датчика напряжения, включаемого параллельно конденсатору инвертора, и выход второго задающего устройства уставки напряжения подключаются ко входам второго компаратора, выходы первого и второго компараторов подключаются ко входам логического элемента И, выход которого подключается к запускающему входу первого элемента управляемой задержки, ко входам третьего компаратора подключаются выходы третьего датчика напряжения, включаемого параллельно второму тиристору инвертора, и первого задающего устройства уставки напряжения, а выход третьего компаратора подключается к запускающему входу второго элемента управляемой задержки, выход которого подключается к запускающему входу третьего элемента управляемой задержки, управляющие входы первого и второго элементов управляемой задержки подключаются к выходу задающего устройства времени задержки, управляющий вход третьего элемента управляемой задержки подключается к выходу интегратора, а выход к первому входу логического элемента ИЛИ, ко второму входу которого подключается выход генератора одиночного импульса, а к выходу вход первого формирователя импульсов управления первого тиристора инвертора, к выходу первого элемента управляемой задержки подключается вход второго формирователя импульсов управления второго тиристора инвертора.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого источника питания для дуговой электросварки на постоянном токе; на фиг. 2 диаграммы, поясняющие принцип его работы.

Предлагаемый источник питания (фиг. 1) содержит каскадно включенные входной выпрямитель ВВ1, входной фильтр ВФ2 и резонансный тиристорный инвертор РИЗ, а также демпфирующие RC-цепочки ДЦ4 и 5, выходной выпрямитель В6, выходной фильтр Ф7, к выходным зажимам которого подключена нагрузка Н8 в виде сварочной дуги, и систему управления СУ9. Резонансный инвертор 3 содержит тиристоры 10 и 11, диод 12, дроссель 13, конденсатор 14 и выходной трансформатор 15. Анод тиристора 10 и катод диода 12 подключены к положительному зажиму входного фильтра 2, к отрицательному зажиму которого подключены катод тиристора 11 и первый вывод конденсатора 14. Катод тиристора 10 и анод диода 12 подключены к первому выводу дросселя 13, ко второму выводу которого подключены анод тиристора 11 и первый вывод первичной обмотки выходного трансформатора 15, причем второй вывод первичной обмотки подключен ко второму выводу конденсатора 14. Демпфирующие RC-цепочки 4 и 5 включены параллельно соответственно тиристорам 10 и 11. Выходной выпрямитель 6 выполнен неуправляемым. Система управления 9 содержит датчики напряжения ДН 16-18, включенные параллельно соответственно тиристорам 10 и 11 и конденсатору 14 инвертора 3, компараторы К19-21, задающие устройства установки напряжения ЗУН 22 и 23, логический элемент и 24, элементы управляемой задержки ЗУЗ 25-27, задающее устройство времени задержки 28, датчик тока ДТ29, включенный в цепь нагрузки Н8, устройство сравнения 30, задающее устройство тока нагрузки 31, интегратор Ин32, логический элемент ИЛИ 33, генератор одиночного импульса ГОИ 34 и формирователи импульсов управления ФИУ 35 и 36. Каждый элемент управляемой задержки (блоки 25-27) может быть выполнен как одновибратор с времязадающей цепочкой, содержащей в качестве сопротивления, управляемого напряжением, полевой транзистор. Выходы датчика напряжения 16 и задающего устройства уставки напряжения 22 подключены ко входам компаратора 19, а выходы датчика напряжения 18 и задающего устройства уставки напряжения 23 ко входам компаратора 20. Выходы компараторов 19 и 20 подключены ко входам логического элемента И 24, выход которого подключен к запускающему входу элемента управляемой задержки 25. Ко входам компаратора 21 подключены выходы датчика напряжения 17 и задающего устройства уставки напряжения 22, а выход компаратора 21 подключен к запускающему входу элемента управляемой задержки 26, выход которого подключен к запускающему входу элемента управляемой задержки 27. Управляющие входы элементов управляемой задержки 25 и 26 подключены к выходу задающего устройства времени задержки 28. Ко входам устройства сравнения 30 подключены выходы датчика тока 29 и задающего устройства тока нагрузки 31, а к выходу вход интегратора 32, выход которого подключен к управляющему входу элемента управляемой задержки 27. Ко входам логического элемента ИЛИ 33 подключены выходы элемента управляемой задержки 27 и генератора одиночного импульса 34, а к выходу вход формирователя импульсов управления 35 тиристора 10 резонансного инвертора 3. К выходу элемента управляемой задержки 25 подключен вход формирователя импульсов управления 36 тиристора 11.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) работает следующим образом. При подаче питания на вход входного выпрямителя 1 и на систему управления 9 генератор одиночного импульса 34 через логический элемент ИЛИ 33 и формирователь импульсов управления 35 включает тиристор 10. Далее, обращаясь к фиг. 2 рассмотрим работу устройства в установившемся режиме, поскольку процессы в переходном и установившемся режимах аналогичны и отличаются лишь начальным напряжением на коммутирующем конденсаторе 14, значение которого в момент первого включения тиристора 10 равно нулю, а в моменты включения тиристора 10 в установившемся режиме имеет некоторую отрицательную величину.

При поступлении в момент времени t₁ (фиг. 2) импульса от формирователя импульсов управления 35 на управляющий электрод тиристора 10 последний открывается, и коммутирующая емкость 14 через дроссель 13 и первичную обмотку выходного трансформатора 15 заряжается в колебательном режиме от постоянного напряжения на выходных зажимах входного фильтра 2. В момент t₂ (фиг. 2) заряд прекращается, напряжение на емкости имеет величину, примерно равную удвоенной величине входного напряжения резонансного инвертора 3. С этого момента начинается колебательный разряд емкости 14 через обратный диод 12 на источник напряжения на входе инвертора, а сигнал датчика напряжения 10 становится отрицательным и большим по абсолютной величине, чем напряжение задающего устройства уставки напряжения 22, заданное меньшим, чем прямое падение напряжения на диоде 12. Таким образом, в момент времени t₂ разность выходных напряжений задающего устройства уставки напряжения 22 и датчика напряжения 16 становится положительной, и высокий уровень сигнала с выхода компаратора 19 поступает на вход логического элемента И 24. В момент времени t₃ (фиг. 2) значение напряжения на конденсаторе 14, отслеживаемое датчиком напряжения 18, становится меньше, чем напряжение уставки U_уст задающего устройства уставки напряжения 23, и компаратор 20 падает сигнал высокого уровня на второй вход логического элемента И 24, сигнал высокого уровня с выхода которого запускает отсчет элементом управляемой задержки 25 заданного задающим устройством времени задержки 28 времени задержки t_з1, необходимо для восстановления запирающих свойств тиристора 10. Устанавливаемое значение напряжения уствки U_уст задающего устройства уставки напряжения 23 зависит от приемлемого пикового значения напряжения на конденсаторе 14. Последнее определяется не только конкретным типом используемого конденсатора, но также и критическими параметрами других элементов резонансного инвертора 3, поскольку позволяет оценить амплитуду протекающего тока и скорость нарастания напряжения на ряде элементов. Так при значениях тока нагрузки, больших некоторой величины, напряжение на емкости 14 не будет превышать уровня U_уст, на втором входе логического элемента И 24 при этих значениях тока нагрузки будет постоянно присутствовать сигнал высокого уровня. При превышении напряжения на емкости 14 уровня U_уст момент запуска отсчета времени задержки элементом управляемой задержки 25 задерживается на интервал времени, в течение которого емкость 14 разрежается от максимального значения напряжения на ней до напряжения уставки, что снижает амплитуду напряжения при перезаряде через тиристор 11 и в следующем цикле. В момент времени t₄ (фиг. 2) сигнал с выхода элемента управляемой задержки 25 через формирователь импульсов управления 35 открывает тиристор перезаряда 11. При этом диод 12 закрывается, а коммутирующя емкость 14 перезаряжается через тиристор 11 и первичную обмотку выходного трансформатора 15 до некоторого отрицательного уровня, при котором в момент времени t₅ (фиг. 2) напряжение на тиристоре 11 становится отрицательным, и компаратор 21, сравнивая с выхода датчика напряжения 17 с напряжением задающего устройства уставки напряжения 22, подает выходной сигнал высокого уровня на запускающий вход элемента управляемой задержки 26. В момент времени t₆ (фиг. 2), по прошествии с момента времени t₅ заданного времени t₃₁, необходимого для восстановления тиристора 11, на выходе элемента 26 задержки появляется сигнал высокого уровня, который поступает на запускающий вход элемента управляемой задержки 27. С датчика 29 снимается напряжение, пропорциональное току нагрузки, которое сравнивается устройством сравнения 30 с напряжением задающего устройства тока нагрузки 31, а сигнал рассогласования поступает через интегратор 32 на управляющий вход элемента управляемой задержки 27. В момент времени t₇ (фиг. 2), по прошествии с момента времени t₆ интервала времени длительностью t_з2, которая определяется напряжением на управляющем входе элемента управляемой задержки 27, импульс положительной полярности с выхода последнего через логический элемент ИЛИ 33 и формирователь импульсов управления 35 открывает тиристор 10. Далее все процессы повторяются в указанном выше порядке.

Демпфирующие RC-цепочки 4 и 5 и дроссель 13 ограничивают скорость нарастания прямого напряжения на тиристорах 10 и 11 инвертор. Влияние демпфирущих RC-цепочек на форму напряжения на тиристорах 10 и 11 на фиг. 2 не отражено.

Таким образом, предлагаемый источник питания для дуговой электросварки на постоянном токе по сравнению с прототипом обладает более высокой надежностью благодаря контролю времени, представляемого на восстановление запирающих свойств тиристоров, и пикового значения напряжения на коммутирующей емкости.

Формула изобретения

Источник питания для дуговой электросварки на постоянном токе, содержащий последовательно соединенные входной выпрямитель, входной фильтр и резонансный тиристорный инвертор, а также две демпфирующие RC-цепочки, подсоединенные параллельно тиристорам инвертора, последовательно соединенные выходной выпрямитель и выходной фильтр, выход которого является первым выходом источника питания, систему управления, причем резонансный тиристорный инвертор содержит два тиристора, диод, дроссель, конденсатор и выходной трансформатор, при этом анод первого тиристора и катод диода подсоединены к первому выходу входного фильтра, катод второго тиристора и первый вывод конденсатора подсоединены к второму выходу входного фильтра, катод первого тиристора и анод диода подсоединены к первому выводу дросселя, первый вывод первичной обмотки выходного трансформатора подсоединен к второму выводу дросселя, а второй к второму выводу конденсатора, первый и второй выводы вторичной обмотки выходного трансформатора соединены с входами выходного выпрямителя, а система управления содержит датчик тока, задающее устройство тока нагрузки, устройство сравнения, интегратор и первый компаратор, причем выходы датчика тока и задающего устройства тока нагрузки подсоединены к входам устройства сравнения, к выходу которого подсоединен вход интегратора, отличающийся тем, что в резонансном тиристорном инверторе анод второго тиристора подсоединен к первому выводу первичной обмотки трансформатора и второму выводу дросселя, а в систему управления введены три датчика напряжения, два задающих устройства уставки напряжения, второй и третий компараторы, логический элемент И, три элемента управляемой задержки, задающее устройство времени задержки, логический элемент ИЛИ, генератор одиночного импульса и два формирователя импульсов управления, при этом выход первого датчика напряжения и выход первого задающего устройства уставки напряжения подсоединены к входам первого компаратора, выход второго датчика напряжения и выход второго задающего устройства уставки напряжения подсоединены к входам второго компаратора, выходы первого и второго компараторов подсоединены к входам логического элемента И, выход которого подсоединен к запускающему входу первого элемента управляемой задержки, к входам третьего компаратора подсоединены выходы третьего датчика напряжения и первого задающего устройства уставки напряжения, а выход третьего компаратора подсоединен к запускающему входу второго элемента управляемой задержки, управляющие входы первого и второго элементов управляемой задержки подсоединены к выходу задающего устройства времени задержки, запускающий вход третьего элемента управляемой задержки подсоединен к выходу второго элемента управляемой задержки, управляющий вход к выходу интегратора, а выход к первому входу логического элемента ИЛИ, к второму входу которого подсоединен выход генератора одиночного импульса, а к выходу вход первого формирователя импульсов управления первого тиристора инвертора, к выходу первого элемента управляемой задержки подсоединен вход второго формирователя импульсов управления второго тиристора инвертора, первый и третий датчики напряжения подсоединены параллельно, соответственно первому и второму тиристорам инвертора, второй датчик напряжения подсоединен параллельно конденсатору инвертора, датчик тока соединен между третьим выводом вторичной обмотки выходного трансформатора и вторым выходом источника питания, первый и второй выходы первого формирователя импульсов управления подсоединены соответственно к управляющему электроду и катоду первого тиристора инвертора, первый и второй выходы второго формирователя импульсов управления подсоединены соответственно к управляющему электроду и катоду второго тиристора инвертора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2