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.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян

Независимый научно технический портал
Технология сварки и сварочное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+сварка -металлов".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "сварка" будут найдены слова "газасварка", "электросварка" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("сварка!").



Рейтинг@Mail.ru