Источник питания сварочной дуги постоянного тока

 

Изобретение относится к малогабаритной энергонасыщенной сварочной технике инверторного типа. В состав источника входят: выпрямительный блок силовой полупроводниковый мостовой преобразователь, силовой трансформатор, выходной выпрямитель и дроссель, устройство управления с управляющим трансформатором, ограничивающий дроссель, трансформатор тока, пороговое устройство. Для повышения надежности и расширения потребительских свойств в источник питания введены: импульсный формирователь опоры порогового устройства, устройство срыва колебаний, формирователь "жесткой" и "падающей" вольтамперных характеристик, устройство поджига дуги для улучшения условий ее возникновения и поддержания, устройство плавного включения и выключения питания сетевого выпрямителя для повышения надежности источника при переходных процессах и при внезапных пропаданиях электроэнергии. Увеличение диапазона сварочных токов значительно расширяет область применения малогабаритных сварочных аппаратов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к сварочной технике, в основном к малогабаритным аппаратам с малой массой и широким диапазоном регулирования постоянного сварочного тока.

Известны источники питания для сварочной техники переменного тока на основе трансформаторов, постоянного тока на основе выпрямителей, электромеханических преобразователей, силовых преобразователей с использованием полупроводниковых ключей. Последние имеют наименьшие габариты и массу.

Из них по технической сущности наиболее близким является источник питания сварочной дуги постоянного тока, описанный в патенте России N 2018424, 1994 г.

Дальнейшее совершенствование прототипа позволяет устранить существующие недостатки: ограничение максимального сварочного тока и мощности; невозможность сварки металлов большой толщины и резки металлов; ограничение диаметра и типа электродов для сварки; отсутствие "жесткой" вольтамперной характеристики; отсутствие схемы поджига дуги; отсутствие схемы плавного включения и выключения питания силовых ключей с целью повышения надежности работы преобразователя.

Задача изобретения - увеличение диапазона свариваемых металлов, расширение диапазона регулировки тока, расширение ассортимента применяемых электродов, обеспечение "падающей" и "жесткой" вольтамперных характеристик источника питания, улучшение процесса зажигания и поддержания сварочной дуги, улучшение показателя отношения величины сварочного тока к массе аппарата (А/кг).

Сущность изобретения состоит в том, что в источник питания вводятся дополнительно формирователь опоры, формирователь срыва колебаний, дополнительные обмотки сварочного трансформатора и выпрямитель поджига дуги, формирователь "падающей" и "жесткой" вольтамперных характеристик, устройство плавного включения и выключения первичного источника питания. Наличие этих элементов позволяет значительно повысить потребительские качества источника сварочного тока.

На фиг. 1 изображен источник, содержащий входной выпрямительный блок 1, устройство плавного включения и выключения 2, силовой преобразователь 3, состоящий из полупроводниковых ключей 4 и сварочного трансформатора 5, выходные выпрямители 6, сварочный дроссель 7, дроссель поджига 8, выпрямители поджига на диодах 9 и обмотки 10, обмотки поджига 11, устройство управления 12 с источником питания 13 устройства управления, задающим генератором 14, делителем частоты на два 15, коммутатором 16, формирователем импульсов 17, связанным с первичной обмоткой 38 управляющего трансформатора 18, формирователем срыва колебаний 19, первым мостиковым выпрямителем 20 и обмоткой срыва колебаний 21, трансформатором тока 22, вторым мостиковым выпрямителем 23, пороговым устройством 24, формирователем опоры 25 (генератором пилообразного напряжения) в составе ключа 26 и разрядной цепи 27, задатчиком тока дуги 28, задатчиком напряжения дуги 29, формирователем "падающей" и "жесткой" вольтамперных характеристик 30, развязывающим диодом 31. Источник также содержит ограничивающий дроссель 32, источник питания вольтдобавки в составе вспомогательной обмотки 33 ограничивающего дросселя 32 и диодного выпрямителя 34, обмотку положительной обратной связи (ПОС) 35, переключатель вольтамперных характеристик 36, дуговой промежуток 37.

Входной выпрямительный блок 1 состоит из выпрямителя, фильтра и выключателя. Постоянное напряжение поступает на вход устройства плавного включения и выключения 2, а с выхода его поступает на силовой преобразователь 3. Плавное включение и выключение питания повышает надежность работы силового преобразователя за счет исключения "ложного" запуска преобразователя, приводящего к отказу силовых ключей. Полупроводниковые ключи 4, образующие мостовой преобразователь, формируют прямоугольные двухполярные импульсы одинаковой длительности. На время переключения полярности между импульсами формируется короткая пауза. Управление ключами производится управляющим трансформатором 18 устройства управления 12. Процесс протекания токов через диагонали мостового преобразователя следующий: плюс источника, открытый ключ VTI, первичная обмотка трансформатора тока 22 (выводы а, б на фиг. 1), первичная обмотка сварочного трансформатора 5, обмотка ограничивающего дросселя 32, обмотка ПОС 35, открытый ключ VT4, минус источника питания. В следующий полупериод ключи VT1, VT4 закрываются, а VT2, VT3 открываются. Запуск на полупроводниковые ключи 4 поступает от управляющего трансформатора 18.

Формирователь импульсов 17 создает импульсное напряжение на первичной обмотке управляющего трансформатора следующим образом: задающий генератор 14 формирует короткие прямоугольные импульсы И₁₄, которые поступают на делитель частоты на два 15. Эпюры напряжения и тока приведены на фиг. 2.

С выхода делителя частоты на два напряжение И_15-1, И_15-2 в виде меандра поступает на вход коммутатора 16. На его разрешающий вход также поступают короткие импульсы И₁₄ от генератора 14. С прямого и инверсного выходов коммутатора 16 импульсы И_16-1, И_16-2 поступают на вход формирователя 17. На первичной обмотке 38 управляющего трансформатора 18 формируются двухполярные импульсы запуска, причем между импульсами формируется короткая пауза на время переключения полупроводниковых ключей 4.

Со вторичных обмоток управляющего трансформатора 18 импульсы поступают на запуск полупроводниковых ключей 4. Каждая пара ключей открывается и закрывается поочередно. Пауза между закрыванием одной пары ключей и открыванием другой предотвращает прохождение сквозного тока через полупроводниковые ключи VT1, VT2 и VTЗ, VT4.

На время паузы замыкается обмотка срыва колебаний 21 управляющего трансформатора 18 через формирователь срыва колебаний 19, представляющий собой ключ, и первый мостиковый выпрямитель 20.

Для этого с задающего генератора 14 на запуск формирователя срыва колебаний 19 поступают короткие импульсы запуска. Этим устраняется случайный запуск силового преобразователя 3 в период паузы. Величина сварочного тока задается задатчиком тока дуги 28, представляющего собой потенциометр. Опорное напряжение выставляется на опорном входе порогового устройства 24, выполняющего функции компаратора.

Ток через первичную обмотку сварочного трансформатора 5 протекает последовательно через обмотку силового дросселя 32, поэтому его форма представляет собой трапецию I_VT1, I_VT2, приведенную на фиг. 2, а максимальная амплитуда его формируется к концу импульса, при этом форма напряжения представляет разнополярные прямоугольные импульсы И_{вых ТР5}.

На второй вход порогового устройства 24 через второй мостиковый выпрямитель 23 поступает напряжение, пропорциональное амплитуде в первичной обмотке трансформатора тока 22. При достижении определенной амплитуды напряжения с выхода порогового устройства 24 на вход задающего генератора 14 поступает импульс синхронизации И_{вых 24} (фиг. 2). Период следования импульсов задающего генератора И₁₄ уменьшается, а следовательно, после делителя частоты на два 15 уменьшается длительность импульсов запуска силового преобразователя 3. С уменьшением длительности импульсов запуска И_16-1, И_16-2 уменьшается амплитуда тока через полупроводниковые ключи 4, так как форма этого тока представляет собой трапецию. На фиг. 2 штриховой линией показаны эпюры напряжений при условии срабатывания порогового устройства.

Для повышения стабильности и надежности работы силового преобразователя 3 необходимо, чтобы чередующиеся импульсы преобразователя 3 имели равную длительность в полупериодах. Для этого на опорный вход порогового устройства 24 подается не постоянное напряжение, а пилообразное: И_{оп 24} на фиг. 2. Оно поступает с формирователя опоры 25. Для формирования пилообразного напряжения импульс запуска от задающего генератора 14 поступает на ключ 26 формирователя опоры 25, параметры разрядной цепи 27 которого могут регулироваться по величине стабильного тока. В качестве разрядной цепи как источника тока может использоваться ток коллектора транзистора, регулируемый по цепи базы.

Таким образом с помощью задатчика тока дуги 28 можно регулировать крутизну пилообразного напряжения опоры, а следовательно, и амплитуду сварочного тока.

В режиме короткого замыкания напряжение дугового промежутка падает до нуля, опорное напряжение изменяется так, что пороговое устройство 24 срабатывает при меньшей амплитуде тока, повышается частота импульсов синхронизации И_{вых 24}, при этом длительность импульсов запуска преобразователя 3 уменьшается автоматически (эпюры И_16-1, И_16-2, И_{вых 24} фиг. 2 штриховой линией).

При возникновении дуги формируется "падающая" вольтамперная характеристика. Для формирования "жесткой" вольтамперной характеристики дугового промежутка в устройство управления введен формирователь "падающей" и "жесткой" вольтамперных характеристик 30, представляющий собой усилитель постоянного тока и создающий отрицательную обратную связь с выхода источника на вход формирователя опоры 25. При замыкании оператором переключателя 36 обратная связь воздействует на опорное напряжение порогового устройства 24 таким образом, что выходное напряжение источника питания сварочной дуги становится стабильным в некоторой области. Величина стабильного напряжения дуги устанавливается оператором с помощью задатчика напряжения дуги 29, представляющего собой потенциометр.

Для оптимальной работы полупроводниковых ключей 4, определяемой рассеиваемой мощностью в режимах насыщения, необходимо, чтобы они были в достаточном, но неглубоком насыщении, что соответствует плоской части импульса.

В режиме холостого хода ток потребления устройства управления минимальный. Питание формирователя импульсов 17 производится от маломощного источника питания 13 устройства управления через развязывающий диод 31. При появлении тока в дуговом промежутке 37 через обмотку ПОС 35 протекает ток, который обеспечивает пропорциональное питание базовых цепей полупроводниковых ключей 4.

Для питания базовых цепей мощных полупроводниковых ключей 4 требуется значительная мощность, превышающая мощность источника питания 13 устройства управления. Поэтому для питания формирователя импульсов 17 использован дополнительный источник вольтдобавки, состоящий из вторичной вспомогательной обмотки 33 ограничительного дросселя 32 и диодного выпрямителя 34. Такое необычное использование ограничительного дросселя 32 позволяет получить напряжение питания вольтдобавки, пропорциональное току сварочной дуги, что обеспечивает оптимальный режим управления полупроводниковыми ключами 4.

Сварочный трансформатор 5 со своими вторичными обмотками 10, выходными выпрямителями 6 и сварочным дросселем 7 образуют основной выпрямительный блок источника сварочной дуги. Для улучшения поджига дуги на трансформаторе 5 образовано устройство поджига дуги. В его состав входят вторичные обмотки 10 и 11 трансформатора 5, выпрямители на диодах 9 и дроссели поджига 8. Устройство поджига дуги имеет напряжение больше, чем основной выпрямительный блок на холостом ходу, а при наличии тока дуги их напряжения выравниваются. При этом ток основного выпрямительного блока значительно превосходит ток устройства поджига дуги. Изменение напряжения гасится дросселем поджига 8. Сварочный дроссель 7 создает условия непрерывности тока и стабильности горения дуги.

Формула изобретения

1. Источник питания сварочной дуги постоянного тока, содержащий входной выпрямительный блок, силовой преобразователь, состоящий из полупроводниковых ключей и сварочного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с выходным выпрямителем, дроссель, включенный в сварочную цепь, устройство управления с управляющим трансформатором, выходами связанное с полупроводниковыми ключами, ограничивающий дроссель, включенный последовательно с первичной обмоткой сварочного трансформатора, первичной обмоткой трансформатора тока и обмоткой положительной обратной связи управляющего трансформатора, пороговое устройство, задатчик тока дуги, задающий генератор, отличающийся тем, что в него введены источник питания устройства управления, формирователь опоры, формирователь "падающей" и "жесткой" вольтамперных характеристик, устройство поджига дуги, источник питания вольтдобавки, формирователь срыва колебаний, устройство плавного включения и выключения питания, причем выходная обмотка трансформатора тока подключена на вход второго мостикового выпрямителя, а его выход - к входу порогового устройства, опорный вход которого подключен к выходу формирователя опоры, выход порогового устройства подключен к входу задающего генератора, входом подключенного к входу формирователя опоры, обмотка срыва колебаний управляющего трансформатора подключена на вход первого мостикового выпрямителя, а выход его подключен к выходу формирователя срыва колебаний, на вход которого подключен выход задающего генератора, вход делителя частоты на два и вход коммутатора, причем делитель частоты на два соединен с входами коммутатора через прямой и инверсный выходы, а прямой и инверсный выходы коммутатора соединены с входами формирователя импульсов, выход которого соединен с первичной обмоткой управляющего трансформатора, средняя точка которой соединена с источником питания устройства управления через развязывающий диод, к которому подключен также источник питания вольтдобавки в составе вспомогательной обмотки ограничивающего дросселя и последовательно включенного диодного выпрямителя, задатчик тока дуги своим регулируемым выходом соединен с входом разрядной цепи формирователя опоры, второй вход формирователя опоры соединен с выходом источника питания сварочной дуги, третий вход формирователя опоры соединен с выходом формирователя "падающей" и "жесткой" вольтамперных характеристик через задатчик напряжения дуги, а его вход подключен к выходу источника питания сварочной дуги через переключатель вольтамперных характеристик, устройство плавного включения и выключения входом подключено к выходу входного выпрямительного блока и источнику питания устройства управления, а выходом на вход цепи питания полупроводниковых ключей, причем вход источника питания устройства управления и вход входного выпрямительного блока по цепи первичного питания.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что вторичная обмотка поджига сварочного трансформатора, дроссель поджига и выпрямитель поджига соединены последовательно, а выход выпрямителя поджига параллельно выходному выпрямителю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2