Источник питания для дуговой сварки

 

Изобретение относится к сварке и может быть использовано в установках для дуговой сварки. Технический результат - снижение массогабаритных показателей и расширение диапазона плавно регулируемого сварочного тока при низком уровне потребляемой из сети мощности и высокой надежности в работе. Однофазный трансформатор имеет двухстержневой магнитопровод, первичную и две вторичных обмотки. Каждая из обмоток подключена к своему неуправляемому выпрямителю. Выходы обоих выпрямителей подключены параллельно дуговому промежутку. Первичная и каждая из вторичных обмоток выполнены в виде двух последовательно и согласно соединенных секций. Секции первичной обмотки разнесены на разные стержни. Вторичные обмотки также разнесены на разные стержни. Первые равновысокие секции первичной и первой вторичной обмотки расположены на одинаковом расстоянии от одного ярма магнитопровода, вторые равновысокие секции - вторая первичной и первая второй вторичной обмоток - на одинаковом расстоянии от другого ярма. Плавное регулирование сварочного тока осуществляется с помощью подвижного магнитного шунта, расположенного в окне магнитопровода между первыми секциями первичной и первой вторичной обмоток и второй секцией первичной и первой секцией второй вторичной обмоток. 3 ил.

Изобретение относится к сварке и может быть использовано в установках для дуговой сварки.

Известны источники питания для дуговой сварки, содержащие трансформатор, один неуправляемый выпрямитель и сглаживающий дроссель [Патон Б.Е., Лебедев В. К. Электрооборудование для дуговой и контактной сварки. Машиностроение, -М. , 1966] и [3акс М.И. Сварочные выпрямители. Энергоатомиздат, -Л., 1983]. Они просты и надежны в эксплуатации, однако имеют повышенную массу меди и потребляют большую мощность из электрической сети. Для снижения этих показателей довольно часто в таких установках используют импульсные стабилизаторы дуги и другие устройства, обеспечивающие повышенное напряжение на дуговом промежутке при зажигании дуги [Пентегов И.В., Латанский В.П., Склифос В.В. Малогабаритные источники питания с улучшенными энергетическими показателями. В сб. Новые сварочные источники питания. Киев, 1992]. Кроме того, используются источники питания, в которых имеются два параллельно соединенных управляемых или неуправляемых моста, подключенных параллельно нагрузке, один из которых имеет повышенное напряжение холостого хода, необходимое для зажигания дуги [а.с. СССР 1687392, кл. В 23 К 9/00, 1988 г.] и [Бродягин В.Н., Гужавин А.А., Юркевич А.М. Разработка однофазных источников питания для дуговой сварки. В сб. трудов ВНИИ МСС. -М., 1997, с.42-46].

Недостатками этих источников являются низкая надежность, трудность ремонта, что связано с использованием в них электронных схем и сложных систем управления ими. Некоторые из перечисленных источников, не имеющие электронных схем, отличаются повышенными массогабаритными показателями.

В качестве прототипа изобретения выбран источник питания для дуговой сварки, содержащий однофазный трансформатор с двумя стержнями, двумя секциями первичной обмотки, расположенными на разных стержнях, и двумя вторичными обмотками, каждая из которых состоит из двух секций [патент РФ 2141888 на изобретение "Источник питания для дуговой сварки", Комарчев А.И., Сахно Л.И., Сахно О.И., Федоров П.Д. Бюл. 33, 1999]. Вторые секции вторичных обмоток расположены поверх разных секций первичной обмотки. Первые равновысокие секции вторичной обмотки расположены на одинаковом расстоянии от одного ярма магнитопровода, а равновысокие секции первичной обмотки - на одинаковом расстоянии от другого ярма. Напряжение холостого хода одной вторичной обмотки составляет 60-70 В, другой - в 1,5-2 раза меньше. Первая из обмоток с подключенным к ней вспомогательным выпрямителем служит для возбуждения и устойчивого горения дуги, другая обмотка и основной выпрямитель обеспечивают рабочий ток при сварке. Регулирование сварочного тока осуществляется с помощью подвижного магнитного шунта, расположенного в окне магнитопровода между первичной и первыми секциями вторичных обмоток.

Несмотря на то, что первые секции вторичных обмоток, имеющие повышенную индуктивность рассеяния, конструктивно разнесены на разные стержни, взаимодействие потоков рассеяния этих обмоток влияет на токи в них. В результате при прохождении тока порядка 30 А по обмотке вспомогательного выпрямителя напряжение холостого хода (хх) на обмотке основного выпрямителя U_XXOB снижается на 20-30%, что затрудняет получение крутопадающей внешней характеристики выпрямителя при низких значениях этого напряжения, в особенности при увеличении рабочего (сварочного) тока выпрямителя [Комарчев А.И., Сахно Л.И. , Сахно О.И., Федоров П.Д. Исследования трансформаторов контактных электросварочных машин с инверторными источниками питания. В сб. Современные проблемы и достижения в области электротехнологий в XXI веке. Часть 2// Материалы международной научно-технической конференции 4-5 апреля 2001 г. - СПб.: Издательство СПбГТУ, 2001, - 206 с. (с.90-98)]. С другой стороны, при малых токах, когда шунт полностью вдвинут в магнитопровод, снижение напряжения хх на обмотке основного выпрямителя при прохождении тока по обмотке вспомогательного выпрямителя увеличивается еще приблизительно на 20% по сравнению с выдвинутым шунтом из-за усиления взаимного влияния магнитных полей вторичных обмоток. При низких значениях напряжения хх основного выпрямителя это может привести к неустойчивому горению дуги в области малых токов и, следовательно, к ограничению диапазона регулирования сварочного тока выпрямителя.

Недостатками этого источника являются повышенные масса и габариты и ограничение диапазона регулирования сварочного тока.

В основу изобретения положена задача - создать источник питания для дуговой сварки, обеспечивающий высокие сварочно-технологические свойства в широком диапазоне изменения сварочного тока (легкость зажигания дуги, ее устойчивое горение, малое разбрызгивание металла) при низком уровне потребляемой из сети мощности и высокой надежности работы. Источник должен быть прост в изготовлении, иметь сниженные массогабаритные показатели, обеспечивать возможность плавного регулирования тока.

Поставленная задача решается тем, что источник питания для дуговой сварки, содержащий первый и второй выпрямители, параллельно подключенные к дуговому промежутку, и однофазный трансформатор с двухстержневым магнитопроводом, двумя ярмами, окном магнитопровода и подвижным магнитным шунтом, имеющий первичную и первую и вторую вторичные обмотки, первая из которых соединена с первым выпрямителем, а вторая вторичная обмотка - со вторым выпрямителем, причем первый и второй выпрямители выполнены на основе неуправляемых вентилей, а первичная и каждая вторичная обмотки выполнены в виде двух последовательно и согласно соединенных секций, при этом на каждом стержне магнитопровода друг над другом расположены секция первичной обмотки и первая секция одной из вторичных обмоток, вторая секция которой расположена поверх указанной секции первичной обмотки. Согласно изобретению первые секции первичной и первой вторичной обмотки расположены на одинаковом расстоянии от одного ярма магнитопровода, а вторая секция первичной и первая секция второй вторичной обмоток - на одинаковом расстоянии от другого ярма. Для обеспечения плавного регулирования сварочного тока первые секции первичной и первой вторичной обмоток выполняются равновысокими. Кроме того, равновысокими выполняются вторая секция первичной и первая секция второй вторичной обмоток, а между указанными группами равновысоких секций обмоток в окне магнитопровода располагается магнитный шунт.

В заявленном источнике первые секции вторичных обмоток, соединенные с основным и вспомогательным выпрямителями, располагаются на разных стержнях магнитопровода напротив соответствующих секций первичной обмотки, а не напротив друг друга, как это сделано в прототипе. Проведенные эксперименты показали, что такое расположение обмоток приводит к увеличению напряжения хх обмотки основного выпрямителя при прохождении тока по обмотке вспомогательного выпрямителя, а не к его снижению, как в прототипе. Например, при прохождении тока порядка 30 А по обмотке вспомогательного выпрямителя напряжение хх первой секции обмотки основного выпрямителя увеличивается почти на 20%. Это дает возможность получить заданный рабочий ток и крутопадающую внешнюю характеристику выпрямителя при более низком, чем в прототипе, значении напряжения хх основного выпрямителя и, следовательно, снизить массу и габариты выпрямителя. Опыт показал, что повышение U_XXOB при прохождении тока по обмотке вспомогательного выпрямителя повышает устойчивость горения дуги при полностью вдвинутом магнитном шунте.

Физическое явление, которое лежит в основе настоящего изобретения, можно объяснить, проанализировав уравнения равновесия эдс трехобмоточного трансформатора, данные, например, в [Петров Г.Н. Электрические машины, в трех частях, часть 1. М., Энергия, 1974, на стр.127, формулы (2-158), (2-159)]. Все параметры в этих уравнениях приведены к виткам первичной обмотки: где - напряжение хх первичной обмотки; - токи во вторичных обмотках 2 и 3; - напряжение на нагрузках обмоток 2 и 3; Z_к12 - сопротивление, найденное из опыта короткого замыкания (кз) обмотки 2 при разомкнутой обмотке 3; Z_к13 - сопротивление, найденное из опыта кз обмотки 3 при разомкнутой обмотке 2.

Z₁=1/2(Z_к12+Z_к13-Z_к23), (2) Z_к23 - сопротивление кз обмотки 2 при питании со стороны обмотки 3 и разомкнутой обмотке 1.

Для удобства изложения назовем обмотку вспомогательного выпрямителя обмоткой 2 трехобмоточного трансформатора, данного в известном источнике [Петров Г. Н. Электрические машины, в трех частях, часть 1. - М., Энергия, 1974], а обмотку основного выпрямителя - обмоткой 3 и приведем параметры первого из уравнений (1) к виткам обмотки 2, а параметры второго - к виткам обмотки 3: где

- напряжение хх обмоток 2 и 3 при разомкнутых обеих обмотках 2 и 3.

Из уравнений (3) видно, что при протекании тока по обмотке 2 вспомогательного выпрямителя и разомкнутой обмотке 3 основного выпрямителя напряжение на ее зажимах может быть больше или меньше напряжения хх в зависимости от знака сопротивления Z₁. Знак Z₁ в свою очередь зависит от соотношения параметров Z_к12, Z_к13 и Z_к23 в формуле (2). В заявленном источнике первые секции обмоток основного и вспомогательного выпрямителей расположены на значительном расстоянии друг от друга, поэтому Z_к12+Z_к13<Z и Z₁<0. Следовательно, прохождение тока по обмотке 2 вспомогательного выпрямителя приводит к повышению напряжения на зажимах первой секции обмотки 3 основного выпрямителя В прототипе первые секции обмоток расположены относительно близко друг к другу, поэтому Z_к12+Z_к13>Z_к23 и Z₁>0. В этом случае прохождение тока по обмотке вспомогательного выпрямителя приводит к снижению напряжения на зажимах первой секции обмотки основного выпрямителя а не к его увеличению, как в заявленном источнике.

В заявленном источнике первые секции вторичных обмоток имеют повышенную индуктивность рассеяния, что обеспечивает ограничение тока короткого замыкания. Повышенное рассеяние достигается тем, что каждая из указанных секций расположена на разных стержнях с одной их секций первичной обмотки и разнесена по стержню на некоторое расстояние с другой секцией первичной обмотки, с которой она находится на одном стержне. Вторые секции вторичных обмоток расположены концентрически с одной из секций первичной обмотки, поэтому их индуктивность рассеяния пренебрежимо мала по сравнению с индуктивностями рассеяния первых секций вторичных обмоток. Эти секции используются только для получения требуемого напряжения хх основного и вспомогательного выпрямителей.

Расположение первых равновысоких секций первичной и первой вторичной обмоток на одинаковом расстоянии от одного ярма, а вторых равновысоких секций первичной и второй вторичной обмоток на одинаковом расстоянии от другого ярма дает возможность перемещать в окне магнитопровода между первыми секциями первичной и первой вторичной обмоток, с одной стороны, и второй секцией первичной и первой секцией второй вторичной обмоток, с другой стороны, магнитный шунт, что позволяет одновременно плавно регулировать ток как основного, так и вспомогательного выпрямителей. При ступенчатом регулировании сварочного тока соотношение между высотами секций первичной и вторичных обмоток могут быть произвольными.

В заявленном источнике выпрямленный ток не спадает до нуля в процессе горения дуги благодаря сдвигу фаз между токами основного и вспомогательного выпрямителей. Это условие является основным для обеспечения устойчивого горения дуги. Сдвиг фаз достигнут за счет существенной разницы количества витков первых секций вторичных обмоток.

Снижение массогабаритных показателей достигнуто за счет снижения напряжения холостого хода основного выпрямителя. Расширение диапазона регулирования сварочного тока достигнуто за счет повышения устойчивости горения дуги при полностью вдвинутом в магнитопровод шунте вследствие повышения U_xx основного выпрямителя.

Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлена электрическая схема заявленного источника; на фиг.2 - его внешняя характеристика, в том числе внешние характеристики основного и вспомогательного выпрямителей; на фиг.3 - осциллограммы токов в заявлеyyом источнике.

Заявленный источник питания содержит однофазный трансформатор 1, имеющий двухстержневой магнитопровод 2 с окном 3 и ярмами 4, 5. Первичная обмотка имеет две последовательно и согласно соединенные секции 6, 7, расположенные на разных стержнях магнитопровода. Вторичная обмотка, имеющая последовательно и согласно соединенные секции 8, 9, подключена к основному выпрямителю 10, а вторичная обмотка, имеющая последовательно и согласно включенные секции 11, 12, подключена к вспомогательному выпрямителю 13. Выпрямители подключены параллельно дуговому промежутку 14. Для плавного регулирования сварочного тока в окне магнитопровода 3 установлен магнитный шунт 15.

Источник питания работает следующим образом. После включения первичной обмотки, состоящей из секций 6, 7, на выходах выпрямителей 10, 13 устанавливается постоянное напряжение по величине, близкое к напряжению холостого хода обмотки, состоящей из секций 11, 12. При замыкании дугового промежутка 14 ток в нем нарастает до рабочего значения в соответствии с внешней характеристикой 16, представленной на фиг.2. Ток в дуговом промежутке 14 суммируется из двух токов - тока вспомогательного выпрямителя 13 и тока основного выпрямителя 10, внешние характеристики которых соответственно 18 и 17 представлены на фиг.2.

Напряжение холостого хода вспомогательного выпрямителя составляет (для примера) 65 В, основного - 40 В. Поэтому в начальный период зажигания дуги основной выпрямитель большую часть времени заперт более высоким напряжением вспомогательного выпрямителя и основная составляющая часть тока дугового промежутка состоит из тока вспомогательного выпрямителя. Затем при увеличении тока дугового промежутка напряжение на выходе вспомогательного выпрямителя снижается и в рабочей точке (U=26 В, I=150 А) основную часть тока нагрузки дает основной выпрямитель 10, что объясняется более высоким индуктивным сопротивлением вторичной обмотки секции 12 по сравнению со вторичной обмоткой секции 9.

Основной выпрямитель 10 включается при напряжениях, превышающих 40 В, что объясняется как сдвигом фаз токов основного 10 и вспомогательного 13 выпрямителей, так и повышением напряжения холостого хода на зажимах секции 9 при прохождении тока по секциям 11, 12 вспомогательного выпрямителя.

На фиг.3 даны зависимости от времени тока 19 в дуговом промежутке, тока 20 основного выпрямителя и тока 21 вспомогательного выпрямителя. Они показывают, что в заявленном источнике достигнут фазовый сдвиг между токами основного и вспомогательного выпрямителей, поэтому ток дуги не спадает до нуля и дуга горит устойчиво.

Таким образом, двухстержневой трансформатор, на котором определенным образом расположены пары последовательно и согласно соединенных секций первичной и двух вторичных обмоток, причем вторичные обмотки имеют разное количество витков и подключены к двум параллельно соединенным выпрямителям, в заявляемом источнике проявил следующие свойства:
- увеличение напряжения холостого хода секции 9 обмотки, соединенной с основным выпрямителем;
- обеспечение сдвига фаз токов основного и вспомогательного выпрямителей;
- возможность одновременно плавно регулировать токи основного и вспомогательного выпрямителей;
- улучшение устойчивости горения дуги при полностью вдвинутом в магнитопровод магнитном шунте.

Эффективность заявленного выпрямителя подтверждается следующим примером. На базе серийно выпускаемого бытового сварочного выпрямителя ВСБ-101 [Выпрямитель сварочный бытовой ВСБ-101, рекламный проспект АО "Электрик", СПб.] - аналога авторами разработан макет источника питания для ручной дуговой сварки, содержащий два параллельно соединенных неуправляемых выпрямителя, один из которых обеспечивает зажигание дуги, а другой - рабочий ток. Трансформатор имеет двухстержневой магнитопровод и магнитный шунт. Напряжение холостого хода источника составляет 65 В, отношение тока короткого замыкания 1,5. Регулирование сварочного тока плавное от 60 до 150 А (у аналога от 40 до 100 А). Продолжительность нагрузки ПН=60% при токе 130 А (у аналога ПН= 20% при токе 100 А). Испытания источника показали его высокие сварочно-технологические свойства - легкость зажигания и устойчивость горения дуги, малое разбрызгивание металла, высокую эластичность дуги. Достигнут низкий уровень потребления мощности из сети, например, при рабочем токе 100 А сетевой ток не превышает 21 А (у аналога 36 А). Масса макета 32 кг, аналога - 50 кг.

По сравнению с прототипом заявленный источник имеет следующие преимущества:
- снижение массогабаритных показателей установки;
- расширение диапазона регулирования сварочного тока.

По сравнению с аналогом масса выпрямителя снижена приблизительно на 50% при повышении номинального тока на 30% и увеличении ПН в 3 раза. Кроме того, снижен ток, потребляемый из сети.

Таким образом, заявленный источник обеспечивает снижение массогабаритных показателей установки, высокие сварочно-технологические свойства при низком уровне потребляемой из сети мощности и плавном регулировании сварочного тока в широком диапазоне.

Формула изобретения

Источник питания для дуговой сварки, содержащий первый и второй выпрямители, параллельно подсоединенные к выходам источника питания, и однофазный трансформатор с двухстержневым магнитопроводом, двумя ярмами, окном магнитопровода и подвижным магнитным шунтом, имеющий первичную и первую и вторую вторичные обмотки, первая из которых соединена с первым выпрямителем, а вторая вторичная обмотка - со вторым выпрямителем, причем первый и второй выпрямители выполнены на основе неуправляемых вентилей, а первичная и каждая вторичная обмотки выполнены в виде двух последовательно и согласно соединенных секций, при этом на каждом стержне магнитопровода друг над другом расположены секция первичной обмотки и первая секция одной из вторичных обмоток, а вторая секция этой вторичной обмотки расположена поверх указанной секции первичной обмотки, отличающийся тем, что первая секция первичной обмотки и первая секция первой вторичной обмотки выполнены равновысокими и расположены на одинаковом расстоянии от одного ярма магнитопровода, а вторая секция первичной обмотки и первая секция второй вторичной обмотки также выполнены равновысокими и расположены на одинаковом расстоянии от другого ярма, при этом в зазоре между торцами упомянутых обмоток установлен подвижный магнитный шунт.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3