УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ


RU (11) 2106944 (13) C1

(51) 6 B23K9/06 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - может прекратить свое действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 1998.03.20 
(21) Регистрационный номер заявки: 96122281/02 
(22) Дата подачи заявки: 1996.11.21 
(45) Опубликовано: 1998.03.20 
(56) Аналоги изобретения: 1. PL, заявка 270986, кл. B 23K 9/00, 1989. 2. SU, авторское свидетельство 1426719, кл. B 23K 9/06, 1988. 3. SU, авторское свидетельство 1346366, кл. B 23K 9/06, 1987. 
(71) Имя заявителя: Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева 
(72) Имя изобретателя: Балакин С.В. 
(73) Имя патентообладателя: Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева 

(54) УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ 

Изобретение относится к электродуговой сварке металлов плавящимся электродом и предназначено для сварки конструкций из стали преимущественно малых толщин. Технический результат заключается в том, что в результате последовательности резонансов в устройстве формируется напряжение ударного возбуждения с широким частотным спектром. В устройство введены регулятор тока, дроссель и второй накопительный элемент, а тиристорный коммутатор выполнен симметричным и первая входная клемма устройства подключена к первому входу регулятора тока, второй вход которого подключен к концу первичной обмотки входного трансформатора, конец вторичной обмотки которого подключен к началу вторичной обмотки высоковольтного трансформатора, конец вторичной обмотки которого подключен к второй выходной клемме устройства, вторая входная клемма которого подключена к началу первичной обмотки импульсного трансформатора и к первому выходу регулятора тока, второй выход которого подключен к другому выводу ограничительного элемента, а конец вторичной обмотки импульсного трансформатора подключен к управляющему электроду симметричного тиристорного коммутатора, начало вторичной обмотки импульсного трансформатора подключено к второму выводу первого накопительного элемента, первый вывод которого через последовательно соединенные второй накопительный элемент и дроссель подключен к первой входной клемме устройства. 5 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электродуговой сварке металлов электродом и предназначено для сварки конструкций из стали преимущественно малых толщин.

Известное устройство [1], выбранное в качестве аналога, характеризуется тем, что в генераторе вторичная обмотка импульсного трансформатора включена последовательно в цепь сварки источника питания, последовательно с первичной обмоткой трансформатора включены тиристор и конденсатор, заряжаемый преобразователем напряжения, вход которого соединен с входом блока управления. На входе блока управления включен шунт, соединенный с источником тока.

К недостатку представленного аналога следует отнести то, что полярности возбуждающего высоковольтного импульса инициирующего дугу и напряжения холостого хода не совпадают, что при снижении мощности источника питания будет снижаться эффективность возбуждения и стабилизации горения сварочной дуги.

Известное устройство [2] выбранное в качестве аналога, характеризуется тем, что состоит из генератора импульсов, защитного конденсатора, подключенных параллельно источнику питания, выходного высокочастотного трансформатора, вторичная обмотка которого включена последовательно в сварочную цепь, а первичная подключена к накопительному конденсатору, к разряднику и вторичной обмотке повышающего трансформатора, первичная обмотка которого через конденсатор подключена параллельно дуговому промежутку.

К недостаткам представленного аналога следует отнести наличие разрядника, электроды которого подвержены эрозии, и недостаточную мощность возбуждающего высоковольтного импульса, соответственно недостаточную эффективность ионизации электродугового промежутка.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для возбуждения и стабилизации горения сварочной дуги [3].

Устройство для возбуждения и стабилизации сварочной дуги, содержащее входной трансформатор, начало первичной обмотки которого соединено с первой входной клеммой устройства, а начало вторичной обмотки входного трансформатора подключено к первой выходной клемме устройства, первый вывод первого накопительного элемента подключен к началу первичной обмотки высоковольтного трансформатора, конец первичной обмотки которого подключен к первому выводу тиристорного коммутатора, второй вывод которого подключен к началам первичной и вторичной обмоток импульсного трансформатора, конец первичной обмотки которого подключен к одному из выводов ограничительного элемента.

К недостатку прототипа следует отнести то, что устройство формирует возбуждающий высоковольтный импульс недостаточной мощности, соответственно обеспечивает недостаточную степень ионизации электродугового промежутка.

Технический результат изобретения заключается в том, что в нем формируют последовательность резонанса тока и резонанса напряжений. Параметры колебательных контуров определяют их добротность, соответственно амплитуду напряжения и мощность возбуждающего импульса.

Технический результат достигается тем, что в устройстве возбуждения и стабилизации горения сварочной дуги, содержащем входной трансформатор, начало первичной обмотки которого соединено с первой входной клеммой устройство, а начало вторичной обмотки входного трансформатора подключено к первой выходной клемме устройства, первый вывод первого накопительного элемента подключен к началу первичной обмотки высоковольтного трансформатора, конец первичной обмотки которого подключен к первому выводу тиристорного коммутатора, второй вывод которого подключен к началам первичной и вторичной обмоток импульсного трансформатора, конец первичной обмотки которого подключен к одному из выводов ограничительного элемента, в отличие от прототипа в него введены регулятор тока, дроссель и второй накопительный элемент, а тиристорный коммутатор выполнен симметричным и первая входная клемма устройства подключена к первому входу регулятора тока, второй вход которого подключен к концу первичной обмотки входногоо трансформатора, конец вторичной обмотки которого подключен к началу вторичной обмотки высоковольтного трансформатора, конец вторичной обмотки которого подключен ко второй выходной клемме устройства, вторая входная клемма которого подключена к началу первичной обмотки импульсного трансформатора и к первому выходу регулятора тока, второй выход которого подключен к другому выводу ограничительного элемента, а конец вторичной обмотки импульсного трансформатора подключен к управляющему электроду симметричного тиристорного коммутатора, начало вторичной обмотки импульсного трансформатора подключено ко второму выводу первого накопительного элемента, первый вывод которого через последовательно соединенные второй накопительный элемент и дроссель подключен к первой входной клемме устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в последовательно соединенных контурах, последовательном и параллельном подключенных к источнику переменного напряжения, ударным возбуждением контуров формируют в них последовательность резонансов. За счет формирования последовательности резонансов создают на высоковольтном трансформаторе напряжение ударного возбуждения с широким частотным спектром. В этом напряжении присутствуют частоты f1 и f2, близкие к собственным частотам обоих колебательных контуров, на которых осуществляется последовательность резонансов.

Сущность изобретения заключается и в том, что устройство формирует в первичной обмотке высоковольтного трансформатора напряжение, величина которого в K раз превосходит величину напряжения источника напряжения; K определяется добротностью последовательного контура. Это позволяет значительно повысить мощность колебаний в высоковольтном трансформаторе за счет увеличения амплитуды колебаний. Повышение мощности колебаний способствует повышению степени ионизации электродугового промежутка, возбуждению и стабилизации горения дуги.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для возбуждения и стабилизации горения сварочной дуги; на фиг. 2 - временная диаграмма функционирования устройства согласно фиг. 1,

где

U(wt) - напряжение ударного возбуждения;

V(wt) - переменное напряжение;

- амплитуда резонанса напряжений; (фаза основной гармоники равна нулю).

На фиг. 3 представлен фрагмент диаграммы напряжения ударного возбуждения контуров согласно фиг. 1 (в точках А и Б показана последовательность резонансов); на фиг. 4 - временная диаграмма функционирования устройства согласно фиг. 1 с регулированием напряжения ударного возбуждения по фазе; на фиг. 5 представлена электрическая принципиальная схема примера конкретного исполнения устройства согласно фиг. 1.

Представленная на фиг. 1 функциональная схема устройства содержит входной 1 трансформатор, первичная обмотка которого подключена через регулятор 2 тока к входным клеммам устройства. Второй выход регулятора тока через ограничительный 3 элемент и импульсный 4 трансформатор подключен к управляющему электроду симметричного 5 тиристорного коммутатора. Последовательно включенные дроссель 6, накопительный 7 элемент и параллельно включенные высоковольтный 8 трансформатор и второй накопительный 9 элемент образуют соответственно последовательный и параллельный колебательные контуры, подключенные через высоковольтный 8 трансформатор к электродуговому 10 промежутку.

Устройство работает следующим образом.

Входной трансформатор 1 для питания сварочной дуги формирует переменное напряжение холостого хода 50 - 70 В. Для устойчивого горения дуги при таком напряжении холостого хода входного трансформатора минимальный сварочный ток должен быть 60 - 100 А [4]. В этом случае входной трансформатор должен выдавать мощность в сварочную цепь 3500 - 7000 Вт. При сварке конструкций из тонколистовных металлов толщиной 0,5 - 1,5 мм электродуговой сваркой ток должен быть от 30 до 40 А с целью исключения теплового прожега металла. Такой сварочный ток может применяться, в частности, для сварки автомобильного металла. Но при токах 30 - 40 А энергии на дуговом промежутке для устойчивого горения дуги недостаточно.

С целью возбуждения и стабильного горения дуги переменного тока высоковольтный трансформатор, включенный последовательно со вторичной обмоткой входного трансформатора в сварочную цепь, формирует с началом подачи сварочного тока к дуговому промежутку высоковольтные импульсы амплитудой 4 - 8 кВ, полярностью, одинаковой с полярностью каждой полуволны переменного выходного напряжения входного трансформатора.

К входным клеммам устройства подают переменное напряжение. Это переменное напряжение поступает на входной 1 трансформатор, регулятор 2 тока и на последовательно включенные последовательный и параллельный колебательные контуры, состоящие из дросселя 6, накопительных элементов 7 и 9 и высоковольтного трансформатора 8.

Регулятор 2 тока представляет фазосдвигающее устройство, которое с каждой полуволной переменного напряжения одновременно с подключением входного 1 трансформатора к переменному напряжению формирует через ограничительный 3 элемент и импульсный 4 трансформатор запускающий импульс на управляющий электрод симметричного 5 тиристорного коммутатора. При этом переменное напряжение на емкостном делителе последовательного колебательного контура, а именно на накопительных элементах 7, 9, делится пропорционально их емкостям, которое потом участвует в формировании напряжения ударного напряжения.

Через управляемый симметричный 5 тиристорный коммутатор в цепи параллельного колебательного контура, состоящего из высоковольтного трансформатора 8 и накопительного элемента 9, формируют ударное возбуждение контура. В результате этого в колебательных контурах формируется напряжение ударного возбуждения U(wt) согласно диаграмме фиг. 2 сложной формы и широким спектральным составом, аналитическое выражение которого соответствует зависимости в виде ряда Фурье



где

A - амплитуда переменного напряжения;

w - круговая частота основной гармоники;

n - номер гармоники;

- амплитуда резонанса напряжения;

- фаза основной гармоники

Зависимость согласно уравнению (1) можно представить в виде суммы двух функций:

- первая функция - косинусоида

V(wt) = ACos(wt),

есть напряжение, поданное от источника переменного напряжения и прошедшее через емкостной делитель;

вторая - биполярная последовательность прямоугольных импульсов с периодом, равным периоду косинусоиды, и аналитически представляема рядом Фурье, как

,

где

- амплитуда прямоугольных импульсов.

На вновь образованных гармониках в результате ударного возбуждения колебаний формируется последовательность резонансов, причем сначала осуществляется резонанс токов, так как в параллельном контуре установлен управляемый ключ, соответственно есть путь для прохождения постоянного тока. Затем осуществляется резонанс напряжений в последовательном контуре, состоящем из дросселя 6 и накопительных элементов 7 и 9.

Согласно фиг. 2 отрезок AB напряжения U(wt) соответствует резонансу токов, а отрезок BC - резонансу напряжений. Далее кривая CA' (часть косинусоиды) пропорциональна приложению переменного напряжения к последовательно включенным контурам. А отрезки A'B' и B'C' соответствуют аналогично вышеописанным процессам.

На фиг. 3 представлен фрагмент диаграммы напряжения ударного возбуждения контуров согласно фиг. 1, показывающий последовательность резонансов.

От точки A до точки B затухающая косинусоида характеризует резонанс токов в параллельном контуре, осуществляемый с частотой f1. Причем резонанс токов осуществляется на гармонике, образованной в результате ударного возбуждения контуров, частота которой близка к собственной частоте параллельного контура.

,

где

L8 - индуктивность высоковольтного трансформатора;

C9 - емкость накопительного элемента 9.

Декремент затухания колебаний определяется потерями в контуре, в основном временем закрытия управляющего ключа з . После окончания резонанса токов начинается резонанс напряжений в последовательном колебательном контуре. От т. B до т. C затухающая косинусоида характеризует резонанс напряжений, осуществляемый с частотой f2. Причем смещение по оси ординат на величину характеризует амплитуду колебательного процесса и определяется параметрами элементов колебательного контура. Резонанс напряжений осуществляется на гармонике, образованной при ударном возбуждении контура, частота которой близка к собственной частоте последовательного колебательного контура.



где

L6 - индуктивность дросселя 6;

C7, C9 - емкости накопительных элементов.

Декремент затухания колебаний определяется потерями в последовательном контуре.

Изменяя параметры колебательных контуров, изменяются частоты, на которых осуществляется последовательность резонансов. При этом добротность контуров можно довести до 100 единиц и выше.

Таким образом в результате последовательности резонансов, протекающих в контурах, со вторичной обмотки высоковольтного трансформатора 8 мощные высоковольтные импульсы подаются к электродуговому промежутку 10, причем одновременно с подачей напряжения питания дуги со вторичной обмотки входного трансформатора. Тем самым обеспечиваются возбуждение и стабилизация горения дуги.

На фиг. 4 представлена временная диаграмма функционирования устройства согласно фиг. 1 с регулированием величины напряжения ударного возбуждения по фазе.

Согласно фиг. 4 форма напряжения ударного возбуждения MNEO соответствует аналитической зависимости согласно уравнению (1) (фаза = 0) и обеспечивает формирование максимального напряжения ударного возбуждения. При смещении основной гармоники влево на фазу форма напряжения ударного возбуждения приобретает вид кривой, обозначенной 1 MNKO, (согласно фиг. 4) и соответствует уравнению (1) общего случая (когда фаза 0 ). При этом напряжение, формируемое при резонансе токов и прикладываемое к первичной обмотке высоковольтного трансформатора, уменьшается пропорционально фазовому сдвигу и соответственно равно OK. Напряжение, формируемое при резонансе напряжений, остается неизменным.

При сдвиге основной гармоники на 90o форма напряжения ударного возбуждения приобретает вид согласно кривой 2 MNLO и аналитически выражается как



При этом напряжение, формируемое при резонансе токов, уменьшается до величины OL.

Из фиг. 4 и вышеописанного следует, что посредством регулятора 2 тока, обеспечивающего фазовый сдвиг запускающих импульсов относительно переменного напряжения, можно регулировать величину напряжения ударного возбуждения, соответственно мощность высоковольтных запускающих импульсов на дуговом промежутке.

На фиг. 5 представлена электрическая принципиальная схема примера исполнения устройства согласно фиг. 1, в котором импульсный 4 трансформатор выполнен на ферритовом сердечнике, дроссель 6 - без сердечника, накопительные 7 и 9 элементы - конденсаторы, высоковольтный трансформатор 8 выполнен также без сердечника. Регулятор 2 тока, представляющий фазосдвигающее устройство, выполнен в виде последовательно соединенных резистора 11, потенциометра 12 и конденсатора 13. Средняя точка между конденсатором 13 и потенциометром 12 через симметричный динистор 14 соединена с управляющим электродом симметричного тиристорного коммутатора 15, который подключает входной 1 трансформатор к сети переменного напряжения.

Устройство согласно фиг. 5 работает следующим образом.

Напряжение 220 В частоты 50 Гц подается на входные клеммы устройства, от которых запитываются последовательно включенные колебательные контуры и регулятор 2 тока. Последний через фазосдвигающую цепь, состоящую из резисторов 11, 12, конденсатора 13 и через симметричный 14 динистор, формирует запускающие импульсы на управляющие электроды симметричных 5, 15 тиристорных коммутаторов в каждый полупериод переменного напряжения. Переменное напряжение на емкостных делителях C6 и C7 последовательно включенных колебательных контуров делится согласно их емкостям и затем участвуют в формировании напряжения ударного возбуждения.

Через тиристорный 5 коммутатор запускается последовательность резонансов, которые протекают в параллельном контуре (высоковольтный 8 трансформатор и конденсатор 9) и в последовательном контуре (дроссель 6 и конденсаторы 7 и 9) для формирования высоковольтных запускающих импульсов на дуговом промежутке. Также одновременно подается через входной 1 трансформатор напряжение питания на дуговой промежуток.

На фиг. 5 указаны начала обмоток трансформаторов, которые обеспечивают совпадение полярностей напряжения питания дуги и напряжения высоковольтных импульсов. Это совпадение полярностей обеспечивает стабильность возбуждения и горения дуги особенно на малых токах.

Импульсный трансформатор предназначен для согласования сдвига фаз между напряжением регулятора 2 тока и напряжением высоковольтного 8 трансформатора.

Регулированием потенциометра 12 регулятора 2 тока обеспечивается установка мощности источника питания на дуговом промежутке и величины напряжения высоковольтных импульсов.

При изготовлении и испытании лабораторного образца сварочного аппарата в качестве ключа, управляющего ударным возбуждением контуров, был использован симметричный тиристорный коммутатор ТС132-50-12. Он обеспечивал коммутацию напряжения в первичной цепи высоковольтного трансформатора до 1,6 - 2,0 кВ. Эта дало возможность повысить амплитуду возбуждающих импульсов до 8 кВ.

Положительный эффект изобретения заключается в том, что устройство одновременно с подачей питания к электродуговому промежутку формирует в цепи первичной обмотки высоковольтного трансформатора напряжение, амплитуда которого в несколько раз превышает величину переменного напряжения источника питания. Это позволило значительно повысить мощность высоковольтных импульсов, соответственно степень ионизации электродугового промежутка.

Улучшенные условия возбуждения и стабилизации горения дуги позволят на более качественном уровне проводить сварочные работы. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Устройство возбуждения и стабилизации горения сварочной дуги, содержащее входной трансформатор, начало первичной обмотки которого соединено с первой входной клеммой устройства, а начало вторичной обмотки входного трансформатора подключено к первой выходной клемме устройства, первый вывод первого накопительного элемента подключен к началу первичной обмотки высоковольтного трансформатора, конец первичной обмотки которого подключен к первому выводу тиристорного коммутатора, второй вывод которого подключен к началам первичной и вторичной обмоток импульсного трансформатора, конец первичной обмотки которого подключен к одному из выводов ограничительного элемента, отличающееся тем, что в него введены регулятор тока, дроссель и второй накопительный элемент, а тиристорный коммутатор выполнен симметричным, а первая входная клемма устройства подключена к первому входу регулятора тока, второй вход которого подключен к концу первичной обмотки входного трансформатора, конец вторичной обмотки которого подключен к началу вторичной обмотки высоковольтного трансформатора, конец вторичной обмотки которого подключен к второй выходной клемме устройства, вторая входная клемма которого подключена к началу первичной обмотки импульсного трансформатора и к первому выходу регулятора тока, второй выход которого подключен к другому выводу ограничительного элемента, а конец вторичной обмотки импульсного трансформатора подключен к управляющему электроду симметричного тиристорного коммутатора, начало вторичной обмотки импульсного трансформатора подключено к второму выводу первого накопительного элемента, первый вывод которого через последовательно соединенные второй накопительный элемент и дроссель подключен к первой входной клемме устройства.