Источник питания для дуговой сварки на постоянном токе

Источник питания для дуговой сварки на постоянном токе

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРК11 НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ , содержащий последовательно соединенные высоковольтный выпрямитель, фильтр, последовательный тиристорный инвертор , трансформатор с первичной и вторичной обмотками, низковольтный выпрямитель , а также систему управления инвертором , содержащую задающий генератор, две схемы сравнения, источник опорного напряжения, распределитель-формирователь импульсов, датчики напряжения и тока нагрузки, датчик тока первичной обмотки трансформатора, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД источника, в систему управления инвертором дополнительно введены датчики тока тиристоров, две схемы ИЛИ, схема И, транзисторный ключ, второй датчик напряжения нагрузки, амплитудный селектор, RC-фильтр и триггер Шмитта , причем выходы датчиков тока.тиристоров подключены к входам первой схемы ИЛИ, выход последней соединен с первым входом второй схемы ИЛИ и с управляющим входом транзисторного ключа, который включен параллельно выходу второго датчика напряжения нагрузки, при этом последний через амплитудный селектор соединен с вторым входом второй схемы ИЛИ и через последовательно соединенные RCфильтр и триггер Шмитта - с одним входом схемы И, другой ее вход соединен с Выходом датчика тока первичной обмотки трансформатора, а выход указанной схемы И - с третьим входом второй схемы ИЛИ.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1074672 д(д1) В 23 К 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН И

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

CO

М

>РАЙ

0

0ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3467024/25-27 (22) 14.05.82 (46) 23.02.84. Бюл. № 7 (72) В. В. Смирнов, П. А. Кошелев, М. И. Закс и С. А . Ермолин (71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт электросварочного оборудования и Ленинградский электротехнический институт им. В. И. Ульянова (Ленина) (53) 621.791.75 (088.8) (56) Тиристоры. Технический справочник под редакцией В. А. Лабунцова, С. Г. Обухова, А. Ф. Свиридова, М., «Энергия», 1971, с. 267, рис. 11 — 6.

2. Коленс А. Высокочастотная электросварочная система. «Electronic engineering»

1977, апрель, с. 66 (прототип). (54) (57) ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ, содержащий последовательно соединенные высоковольтный выпрямитель, фильтр, последовательный тиристорный инвертор, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, низковольтный выпрямитель, а также систему управления инвер1 тором, содержащую задающий генератор, две схемы сравнения, источник опорного напряжения, распределитель-формирователь импульсов, датчики напряжения и тока нагрузки, датчик тока первичной обмотки трансформатора, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД источника, в систему управления инвертором дополнительно введены датчики тока тиристоров, две схемы ИЛИ, схема И, транзисторный ключ, второй датчик напряжения нагрузки, амплитудный селектор, RC-фильтр и триггер Шмитта, причем выходы датчиков тока. тиристоров подключены к входам первой схемы

ИЛИ, выход последней соединен с первым входом второй схемы ИЛИ и с управляющим входом транзисторного ключа, который включен параллельно выходу второго датчика напряжения нагрузки, при этом последний через амплитудный селектор соединен с вторым входом второй схемы ИЛИ и через последовательно. соединенные RCфильтр и триггер Шмитта — с одним входом схемы И, другой ее вход соединен с выходом датчика тока первичной обмотки трансформатора, а выход указанной схемы

И вЂ” с третьим входом второй схемы ИЛИ.

1074672

Изобретение относится к электросварке, а именно к статическим преобразователям . со звеном повышенной частоты, предназначенным для питания сварочных установок, и может найти применение как источник вторичного электропитания.

Известно устройство, содержащее последовательно включенные высоковольтный выпрямитель, фильтр (или цепь питания постоянным напряжением), последовательный резонансный инвертор, трансформатор, низковольтный выпрямитель и нагрузку (или нагрузку, подключенную к выходу инвертора через трансформатор, либо непосредственно), а также систему управления инвертором, содержащую например, задающий генератор, распределитель-формирователь импульсов, датчики напряжения и тока схемы сравнения, которые работоспособны в широком диапазоне сопротивлений нагрузки. Параллельно нагрузке инвертора включены конденсатор и катушка индуктивности (балластная Ю-цепь) (1).

Недостатком схемы является низкий

КПД, вызванный потерями как в самой 1.Сцепи, так и в прочих элементах инвертора за счет протекания через них балластного тока.

Кроме того, такое решение вызывает увеличение установленной мощности, а значит и габаритов примененных элементов.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является высокочастотная электросварочная система, содержащая последовательно включенные высоковольтный выпрямитель, фильтр, инвертор, транс- форматор, низковольтный выпрямитель, нагрузку, а также систему управления инвертором, в состав которой входят задающий генератор, распределитель-формирователь импульсов, две схемы сравнения, датчики напряжения и тока нагрузки, датчик тока первичной обмотки трансформатора, детектор нуля, причем выход задающего генератора соединен с входом распределителя-формирователя импульсов, а выходы последнего соединены с управляющими электродами тиристоров инвертора, выходы датчиков тока и напряжения нагрузки соединены с первыми входами первой и второй схем сравнения соответственно, вторые входы которых соединены с источниками опорных напряжений, выходы схем сравнения соединены с входом задающего генератора, а выход датчика тока первичной обмотки трансформатора через последовательно включенный детектор нуля соединен с входом задающего генератора (2).

В системе обеспечивается временная задержка включения очередного тиристора после перехода через «О» тока первичной обмотки, вызванного проводящим состоянием предыдущего тиристора, т. е. частота коммутации инвертора остается ниже его резонансной частоты.

Для устранения перенапряжений в элементах инвертора сердечник трансформатора выполнен с немагнитным зазором. Кроме того, при превышении напряжения нагрузки заданного максимального значения инвертор отключается.

Недостатком известной системы является низкий КПД, обусловленный значительным балластным током трансформатора, что связано с наличием немагнитного зазора в его магнитопроводе.

1О

Цель изобретения — увеличение КПД устройства.

55 также систему управления инвертором, в состав которой входят задающий генератор 9, содержащий, например, параллельно включенные интегратор 10 и разрядный

Поставленная цель достигается тем, что в систему управления инвертором источника питания для дуговой сварки на постоянном токе, содержащего последовательно соединенные высоковольтный . выпрямитель, фильтр, последовательный тиристорный инвертор, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, низковольтный выпрямитель, а также систему управления инвертором, состоящую из задающего генератора, двух схем сравнения, источника опорного напряжения, распределителя-формирователя импульсов, датчиков напряжения и тока нагрузки, датчика тока первичной обмотки трансформатора, введены датчики тока тиристоров, две схемы ИЛИ, схема И, транзисторный ключ, второй датчик напряжения нагрузки, амплитудный селектор, RCЗо фильтр и триггер Шмитта, причем выходы датчиков тока тиристоров подключены к входам первой схемы ИЛИ, выход последней соединен с первым входом второй схемы ИЛИ и с управляющим входом транзисторного ключа, который включен параллельно выходу второго датчика напряжения нагрузки, при этом последний через амплитудный селектор соединен с вторым входом второй схемы ИЛИ и через последовательно соединенные RC-фильтр и триггер

Шмитта — с одним входом схемы И, дру4Р гой ее вход соединен с выходом датчика тока первичной обмотки трансформатора, а выход указанной схемы И вЂ” с третьим входом второй схемы ИЛИ.

На фиг. 1 представлена функциональ45 ная схема источника питания для дуговой сварки на постоянном токе; на фиг. 2— внешние вольт-амперные характеристики источника питания; на фиг. 3 — временные диаграммы токов и напряжений.

Источник питания (фиг. 1) содержит

5р последовательно содиненные между собой высоковольтный выпрямитель 1, фильтр 2, последовательный тиристорный инвертор 3,, трансформатор 4 с первичной 5 и вторичной б обмотками, низковольтный выпрямитель 7, нагрузку (сварочную цепь) 8, а

1074672 ключ 11, первая 12 и вторая 13 схемы сравнения, источник 14 опорного напряжения, распределитель-формирователь 15 импульсов, первый 16 и второй 17 датчики напряжения нагрузки, датчик 18 тока нагрузки, датчик 19 тока первичной обмотки трансформатора, первый 20 и второй 21 датчики тока тиристоров, первая 22 и вторая 23 схемы ИЛИ, транзисторный ключ 24, схема И 25, амплитудный селектор 26, триггер 27 Шмитта, RC-фильтр 28, делитель

29 и переключатель 30. Выходы распределителя-формирователя 15 импульсов соединены с управляющими цепями тиристоров инвертора. Первый вход задающего генератора, а именно управляющая цейь входящего в его состав разрядного ключа

11, соединен с выходом второй схемы ИЛИ

23, два входа которой соединены соответственно с общей точкой выхода схемы 12 сравнения и входа распределителя-формирователя 15, и с выходом схемы И 25, один вход которой соединен с выходом триггера 27 Шмитта, другой — с выходом датчика 19 тока первичной обмотки 5 трансформатора 4. Второй вход задающего генератора соединен с выходом второй схемы 13 сравнения, первый вход которой.подключен через делитель 29 к источнику 14 опорного напряжения, второй в зависимости от положения переключателя 30 — к выходу датчика 18 тока нагрузки или к выходу первого датчика 16 напряжения нагрузки. Первый вход первой схемы 12 сравнения соединен с общей незаземленной точкой конденсатора интегратора 10 и разряд. ного ключа 11 задающего генератора 9, второй, через делитель 29, — с источником

14 опорного напряжения. Выходы датчиков тока тиристоров 20 и 21 подключены к входам первой схемы ИЛИ 22, выход которой подключен к третьему входу второй схемы

ИЛИ 23 и к управляющей цепи транзисторного ключа 24, подключенного между землей и общей точкой, связывающей выход второго датчика 17 напряжения, вход RCфильтра 28 и вход амплитудного селектора 26. Выход последнего соединен с четвертым входом второй схемы ИЛИ 23. Выход RC-фильтра соединен с входом триггера 27 Шмитта.

Устройство работает следующим образом.

При подключении устройства к промышленной сети на выходе высоковольтного выпрямителя 1 (фиг. 1) появляется постоянное напряжение, заряжающее конденсатор фильтра 2. Одновременно появляются напряжения питания элементов системы управления.

Предположим, что нагрузкой 8 является активное сопротивление, а переключатель .30 находится в среднем положении (цепь обратной связи разорвана). Сопротивление нагрузки таково, что рабочая точка занимает положение 31 (фиг 2) Другие поло жения рабочей точки на внешней вольтамперной характеристике обозначены позициями 32 — 37, а характеристика процесса сварки позицией 38 (фиг. 2). Режиму, определенному рабочей точкой 31, соответствует временной интервал 04 t< t< (фиг. 3), где изображены следующие процессы: 39— ток первичной обмотки 5 трансформатора 4;

40 — напряжение на нагрузке 8; 41

10 напряжение на выходе второго датчика 17 напряжения; 42 — напряжение на выходе первой схемы ИЛИ 22; 43 — напряжение на выходе датчика 19 тока первичной обмотки 5 трансформатора 4; 44 — напряжение на выходе амплитудного селектора 26;

45 — напряжение на выходе триггера 27

Шмитта; 46 — напряжение на выходе второй схемы ИЛИ 23; 47 — напряжение на первом входе первой схемы 12 сравнения (на выходе интегратора 10) 48 — напряжение на входе распределителя-формирователя 15.

Во время протекания тока через тиристоры инвертора 3 датчики 20 и 21 вырабатывают сигналы логической единицы, которые после суммирования в схеме ИЛИ 22 и прохождения через схему ИЛИ 23 попадают на вход разрядного ключа 11 интегратора 10. Во время действия этих импульсов (42 и 46 на фиг. 3) ключ 11 замкнут, напряжение на выходе интегратора равно «О» (47, фиг. 3). По окончании проводимости одного из тиристоров ключ 11 размыкается на выходе интегратора 10 и напряжение линейно нарастает. Когда это напряжение сравнится с величиной выход35 ного напряжения делителя 29, схема сравнения 12.вырабатывает импульс, поступающий с ее выхода на вход распределителяформирователя 15 и на вход второй схемы

ИЛИ 23, т. е. формируется очередной импульс включения тиристора инвертора, а

40 интегратор устанавливается в «О». Таким образом, время между очередными управляющими импульсами равно сумме времени проводящего состояния тиристора, равного в свою очередь половине периода ре45 зонансной частоты инвертора и времени нарастания выходного напряжения интегратора от «О» до выходного напряжения делигеля 29, следовательно рабочая частота ин,вертора оказывается меньше его резонансной частоты при данной нагрузке.

5О Параметры интегратора 10 выбраны так, чтобы время задержки ьт (фиг. 3) iбыло не меньше времени восстановления тиристоров, .примененных в инверторе в любом режиме работы последнего. Во время действия выходных импульсов первой схемы

ИЛИ 22 (во время протекания тока тиристоров) ключ 24, шунтирующий выход датчика 17 напряжения, находится в замкну- том состоянии, поэтому напряжение на вы1074672

В таком режиме выходное напряжение интегратора 10 равно «О», когда ток первичной обмотки трансформатора отличен от «О». Время между соседними управляющими импульсами равно сумме времени проводящего состояния тиристора, времени проводящего состояния шунтирующего диода и времени нарастания выходного напряжения интегратора от «О» до выходного напряжения делителя 29, а рабочая частота инвертора меньше 1/2 его резонансной частоты при данной нагрузке. Рабочая точка источника скачком перемещается из по50

55 ходе датчика 17 отлично от «О» только в течение времени задержки at каждого цикла и соответствует напряжению нагрузки 8 во время протекания тока через диоды, шунтирующие тиристоры инвертора 3 (диаграмма 41, фиг. 3). Величина этого напряжения после прохождения через RC-фильтр

28 значительно меньше порога срабатывания триггера 27 Шмитта, а амплитуда меньше порогового напряжения амплитудного селектора 26. На выходе схемы И 25 сигнал отсутствует, так же как и на выходе амплитудного селектора. Остальные элементы схемы не оказывают влияния на работу устройства.

Предположим, что сопротивление нагрузки 8 возрастает. Если этот процесс про15 исходит плавно, рабочая точка предельной внешней характеристики из положения 31 (фиг. 2) будет перемещаться в направлении, обозначенном пунктирной кривой. На участке от точки 31 до точки 32 характер процессов не изменяется, однако частота собственного резонанса инвертора уменьшается, следовательно увеличивается время проводящего состояния тиристоров и, поскольку задержка at остается постоянной, уменьшается частота коммутации вентилей инвертора. Действующее значение напряжения на выходе интегратора уменьшается при с движении частоты, следовательно участок характеристики 31 — 32 (фиг. 2) будет более пологим, чем при постоянной частоте управляющих импульсо >. Это обстоятельство расширяет о ласт 1рименения источника питания в случа . <, когда требуется стабильность выходного напряжения и значительный ток короткого замыкания, например, при автоматической или полуавто5 матической сварке в атмосфере защитного газа. В точке 31 (фиг. 2) напряжение нагрузки 8 достигает такой величины, что действующее значение напряжения на входе триггера 27 Шмитта превышает порог его срабатывания. С этого момента на выход 4О, схемы И 25 будут передаваться выходные импульсы датчика тока первичной обмотки трансформатора (диаграмма 43, фиг. 3), которые поступают на вход схемы ИЛИ 23 и с выхода последней — на управляющую

45 цепь ключа 11 задающего генератора 9.

t ложения 32 в положение 33 (фиг. 2). При дальнейшем возрастании сопротивления нагрузки характер процесса сохраняется.

Состояние триггера 27 Шмитта также сохраняется, так как теперь шунтирование датчика 17 ключом 24, происходящее по-прежнему во время протекания тока через тиристоры, соответствует 1/2 периода резонансной частоты инвертора (вместо времени задержки в прежнем режиме) поэтому действующее значение напряжения на входе триггера остается больше порога его сра баты ва ни я. Чем больше сопротивление нагрузки, тем слабее сказывается ее шунтирующее действие на трансформатор и на процессы в инверторе. В предельном случае (разрыв цепи нагрузки, точка 4, фиг. 2), роль коммутирующей индуктивности инвертора играет сумма индуктивности коммутирующей катушки и индуктивности намагничивания трансформатора. Поскольку второе слагаемое, как правило, значительно больше первого, резонансная частота инвертора в режиме холостого хода со стороны нагрузки значительно (реально на 1 — 2 порядка) меньше частоты в режиме короткого замыкания, а в связи с наличием задержки включения at частота коммутации несколько меньше 1/2 резонансной частоты, очередное включение тиристора оказывается возможным лишь после окончания переходных процессов в инверторе, вызванных предыдущим включением.

Таким образом, перенапряжения на элементах инвертора устраняются путем скачкообразного изменения его рабочей частоты приблизительно в 2 раза и исключением явления «раскачки» путем введения задержки включения очередного тиристора после окончения переходных процессов в инверторе (прекращения протекания тока в первичной обмотке трансформатора). При плавном уменьшении сопротивления нагрузки инвертора рабочая точка будет перемещаться по предельной внешней характеристике в направлении, указанном сплошной стрелкой (фиг. 2) и на пути от холостого хода до короткого замыкания будет последовательно занимать положения 34, 33, 35, 36, 31 и 37. Порог отпускания триггера

Шмитта подобран так, что скачкообразный переход из положения 35 в положение 36 происходит при меньшем сопротивлении нагрузки, чем переход из положения 32 в положение 33, а участок 33 — 35 лежит выше характеристики процесса сварки 38. Это обеспечивает устойчивое горение дуги при заданном токе в режиме ручной сварки и заданном напряжении в режиме автоматической сварки.

Рассмотрим случай, когда сопротивление нагрузки увеличивается скачком от величины, соответствующей точке 31 (фиг. 2), до . Предположим, что этот скачок про1074672

7 исходит в момент t, (фиг. 3). Напряжение на нагрузке резко возрастает (диаграмма

40, фиг. 3). Параметры трансформатора 4 (фиг. 1) выбраны так, что при возрастании напряжения на обмотке 5 до заданной величины, магнитная индукция достигает значения, соответствующего насыщению сердечника, вследствие чего дальнейший рост напряжения на обмотке 5 и на нагрузке 8 прекращается. В ненасыщенном состоянии сердечника индуктивность намагничивания 10 его должна обеспечивать устойчивое включение тиристоров за время действия импульсов управления. В момент t, (фиг. 3) прекращается ток тиристора инвертора, следовательно, напряжение выхода первой схемы ИЛИ 22 (фиг. 1) становится равным

«О». На выходе второй схемы ИЛИ 23 также напряжение становится равным «О», ключ 11 размыкается, начинается нарастание выходного напряжения интегратора 10 (диаграмма 9, фиг. 3). Однако мгновенное значение напряжения на выходе датчика

17 превышает пороговое напряжение амплитудного селектора 26, а его действующее значение превышает порог срабатывания триггера 27 Шмитта.

Амплитудный селектор 26 реагирует на мгновенное значение входного напряжения, поэтому на его выходе напряжение появится раньше, чем на выходе триггера Шмитта (диаграмма 44, фиг. 3). Промежуток времени между моментами t, и появлением напряжения на выходе элемента 26 значительно меньше д1 (фиг. 3). Последнее напряжение поступает на вход второй схемы . ИЛИ, далее — на управляющую цепь ключа 11, что приводит к его замыканию. Через некоторое время после скачка сопротивления нагрузки, например в момент срабатывает триггер Шмитта, а процессы протекают так же, как описано выше, т. е. следующий управляющий импульс появится через интервал д1 после окончания переходных процессов, а именно в момент t< 40 (фиг. 3). Таким образом, совместное действие триггера Ш митта, реагирующего на действующее значение напряжения датчика

17 и безынерционного селектора 26 амплитуды, объединенных схемой ИЛИ 23, позволяют сочетать высокое быстродейсствие защиты инвертора от аварийных режимов с. устойчивостью положения рабочей точки на внешней характеристике.

В нижнем положении переключателя 30 (режим «падающих» характеристик) (фиг. 1) о происходит стабилизация тока нагрузки.

Выходное напряжение датчика тока нагруз-, ки 18 (фиг. 1) сравнивается в элементе 13 с напряжением уставки (делитель 29), разница этих величин является входным напряжением интегратора 10 задающего генератора 9. Если ток нагрузки меньше заданного, скорость нарастания выходного напряжения интегратора 10 возрастает, следовательно время нарастания его до входного напряжения схемы сравнения 12 уменьшается. Возрастает частота коммутации тиристоров инвертора, значит, возрастает напряжение и ток нагрузки.

Аналогично происходит стабилизация напряжения нагрузки в верхнем (фиг. 1) положении переключателя 30 с той разницей, что на вход схемы 13 сравнения (фиг. 2) поступает выходное напряжение первого датчика 16 напряжения (режим «жестких» характеристик) . Задающий генератор 9 построен таким образом, что входное напряжение интегратора 10 всегда ограничено величиной, при которой скорость нарастания его выходного напряжения не превышает отношения выходного напряжения делителя 29 к заданному времени задержки д1, т. е. регулирование электрических параметров нагрузки 8 возможно вниз от предельных внешних характеристик (фиг. 2). Если в процессе работы устройства вознчкает H(— допустимое перенапряжение, то работа устройства не отличается от работы в BbILiåописанном случае (переключатель 30 в среднем положении).

Технико-экономы еское преимущества предлагаемого источника заключаются в том, что введение в систему управления инвертором сварочного источника питания, датчиков токов тиристоров, схемы И, двух схем ИЛИ, транзисторного ключа, дополнительного датчика напряжения нагрузки, амплитудного селектора, RC-фильтра, триггера Шмитта и соединение перечисленных элементов между собой и с остальными элементами системы управления вышеописанным способом, обеспечивает устойчивую работу предлагаемого устройства во всем диапазоне сопротивлений нагрузки от холостого хода до короткого замыкания, в том числе и при скачкообразных изменениях этого сопротивления в указанных пределах.

При этом не-требуется шунтирования выхода инвертора какими-либо балластными цепями, в частности трансформатор источника питания может быть выполнен без немагнитного зазора в магнитопроводе, с малым взаимным рассеянием между первичной и вторичной обмотками и, следовательно, с высоким КПД при номинальной нагрузке, а последнее обстоятельство позволяет повысить КПД источника питания.

1074672

ЕВ7

ЮО

Фиг. Z тао

46

tZ t3

Фиг.3

Составитель В. Ганюшин

Редактор А. Козориз Техред И. Верес Корректор О. Билак

Заказ 204/13 Тираж 1037 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4