ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2306213

ИНВЕРТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ

Имя изобретателя: Князьков Анатолий Федорович (RU); Князьков Сергей Анатольевич (RU); Деменцев Кирилл Иванович
Имя патентообладателя: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет
Адрес для переписки: 634050, г.Томск, пр-т Ленина, 30, Томский политехнический университет, отдел интеллектуальной и промышленной собственности, директору по НР В.А.Власову
Дата начала действия патента: 2006.04.17

Изобретение относится к технологическому оборудованию, используемому для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, в частности к малогабаритным источникам питания инверторного типа. Инверторный источник питания содержит две параллельные ветви. Каждая ветвь состоит из половины первичной обмотки выходного понижающего трансформатора и двух последовательно соединенных тиристоров. Питающее напряжение подводится в диагональ, образованную между средней точкой первичной обмотки выходного понижающего трансформатора и точкой соединения свободных катодов тиристоров параллельных ветвей. Между точками соединения анодов и катодов тиристоров включен коммутирующий конденсатор. Параллельно тиристорам, катоды которых соединены вместе, подключены ограничительные цепи, которые состоят из последовательного соединения дросселя и тиристора. Инверторный источник питания обладает расширенными регулировочными возможностями величины сварочного тока, а именно обеспечивает широтно-импульсное управление, комбинированное импульсное управление, частотно-импульсное управление.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к технологическому оборудованию, используемому для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, в частности к малогабаритным источникам питания инверторного типа.

Известен мостовой симметричный инвертор последовательного типа (см. Автоматическая сварка, 1982 №7, с.29. рис.1г), силовая часть которого содержит две параллельные ветви, состоящие из последовательно соединенных тиристоров. Между точками соединения катодов и анодов тиристоров подключена коммутирующая цепь, которая состоит из последовательно соединенных конденсатора и сопротивления. Питающее напряжение подводится в диагональ, образованную между точками соединения анодов и катодов тиристоров параллельных ветвей.

Недостатками такого инвертора являются:

- передача энергии в зону дуги через конденсатор;

- ограниченные регулировочные возможности, т.к. регулирование тока осуществляется изменением частоты инвертора;

- ухудшение устойчивости горения дуги на малых токах вследствие увеличения пульсаций тока.

Известен инверторный источник питания для электродуговой сварки, содержащий две параллельные ветви, каждая из которых содержит тиристор и полуобмотку понижающего трансформатора. Между анодами тиристоров включен коммутирующий конденсатор (источник тот же, рис.1д).

Недостатками данного источника являются ограниченные регулировочные возможности.

Известен инверторный источник питания для электродуговой сварки, принятый за прототип, который содержит две параллельные ветви, каждая из которых содержит два последовательно включенных тиристора и половину первичной обмотки понижающего трансформатора. Питающее напряжение подводится в диагональ, образованную средней точкой первичной обмотки выходного понижающего трансформатора и точкой соединения свободных катодов тиристоров параллельных ветвей. Между точками соединения анодов и катодов тиристоров включен коммутирующий конденсатор. Источник питания обеспечивает широтно-импульсную, комбинированную и частотную модуляцию (патент Российской Федерации №2140344, МКИ В23К 9/09).

Недостатком прототипа является то, что вследствие резонансного перезаряда коммутирующего конденсатора напряжение на нем может достичь величины, превышающей номинальное значение напряжения элементов схемы, что, в свою очередь, может привести к потере работоспособности инверторного источника питания.

Задача изобретения - ограничить рост напряжения на каждом элементе схемы силовой части инверторного источника питания не выше номинального.

Для решения поставленной задачи в предлагаемом инверторном источнике питания для электродуговой сварки, содержащем две параллельные ветви, каждая из которых состоит из двух последовательно соединенных тиристоров и половины первичной обмотки выходного понижающего трансформатора, а коммутирующий конденсатор включен между точками соединения анодов и катодов тиристоров параллельных ветвей, параллельно тиристорам, катоды которых соединены вместе, подключены ограничительные цепи. Каждая ограничительная цепь состоит из последовательно соединенных тиристора и дросселя. Питающее напряжение подается в диагональ, образованную между средней точкой первичной обмотки выходного понижающего трансформатора и точкой соединения свободных катодов тиристоров параллельных ветвей.

Заявленный источник отличается тем, что параллельно тиристорам, катоды которых соединены вместе, подключены ограничительные цепи, что, в свою очередь, позволяет ограничить рост напряжения, возникающего на элементах схемы.

Испытание опытного образца дает право утверждать о работоспособности и промышленной применимости заявляемого источника питания.

принципиальная схема силовой части инверторного источника питания для электродуговой сварки;

На чертежах представлены:

фиг.1 - принципиальная схема силовой части инверторного источника питания для электродуговой сварки;

фиг.2 - график работы силовых тиристоров на холостом ходе;

фиг.3 - график работы силовых тиристоров в режиме с широтно-импульсным управлением;

фиг.4 - график работы силовых тиристоров в режиме с комбинированным импульсным управлением;

фиг.5 - график работы в режиме с частотно -импульсным управлением.

Обозначения, применяемые на чертежах-графиках, и их расшифровка:

I3 - ток тиристора 3;

I 4 - ток тиристора 4;

I5 - ток тиристора 5;

I6 - ток тиристора 6;

I9 - ток тиристора 9;

I 11 - ток тиристора 11;

U7 - напряжение на коммутирующем конденсаторе;

t им - время импульса;

tп - время паузы;

Т - период работы.

Инверторный источник питания для электродуговой сварки содержит две параллельные ветви 1 и 2, каждая из которых включает в себя половину первичной обмотки (13 и 14) выходного понижающего трансформатора 12 и два последовательно соединенных тиристора 3, 4 и 5, 6 соответственно. Питающее напряжение подводится в диагональ, образованную между средней точкой первичной обмотки выходного понижающего трансформатора 12 и точкой соединения свободных катодов тиристоров параллельных ветвей. Между точками соединения анодов и катодов тиристоров 3, 4 и 5, 6 включен коммутирующий конденсатор 7. Параллельно тиристорам 4 и 6 подключены ограничительные цепи, состоящие из последовательно соединенных дросселя и тиристора (8, 9 и 10, 11).

Инверторный источник питания работает следующим образом.

В режиме холостого хода (фиг.2) управляющие импульсы подаются поочередно, одновременно на два тиристора 3, 6 или 5, 4, при этом коммутирующий конденсатор резонансно заряжается по цепям:

(+) источника (не показан), полуобмотка 13 выходного понижающего трансформатора 12, тиристор 3, коммутирующий конденсатор 7, тиристор 6, (-) источника.

(+) источника, полуобмотка 14 выходного понижающего трансформатора 12, тиристор 5, коммутирующий конденсатор 7, тиристор 4, (-) источника.

Благодаря резонансному контуру, образованному полуобмотками 13, 14 первичной обмотки выходного понижающего трансформатора 12 и коммутирующим конденсатором 7, за несколько циклов коммутирующий конденсатор 7 заряжается до напряжения, необходимого для нормальной работы инвертора, и с минимальной частотой работает в режиме холостого хода.

график работы силовых тиристоров на холостом ходе;график работы силовых тиристоров в режиме с широтно-импульсным управлением;
график работы силовых тиристоров в режиме с комбинированным импульсным управлением;график работы в режиме с частотно -импульсным управлением.

В режиме нагрузки возможны следующие режимы работы инвертора:

а. Режим с широтно-импульсным управлением. При этом предварительно в режиме холостого хода за несколько циклов коммутирующий конденсатор 7 заряжается до напряжения, необходимого для нормальной работы инвертора, т.е до напряжения, необходимого для отключения тиристоров 4 и 6 и прекращения протекания тока в нагрузке. В режиме нагрузки, (+) на левой обкладке коммутирующего конденсатора 7, управляющие импульсы подаются на тиристоры 5 и 6, которые отпираются. В результате чего ток начинает протекать по цепи: (+) источника питания, полуобмотка 14 трансформатора 12, тиристор 5, тиристор 6, (-) источника. Со вторичной полуобмотки 16 выходного понижающего трансформатора 12 ток поступает в нагрузку. Длительность протекания тока определяется схемой управления, причем при максимальной длительности протекания тока сердечник выходного понижающего трансформатора 12 не входит в насыщение. Для прекращения протекания тока в нагрузке управляющие импульсы подаются на тиристоры 4 и 11, в результате чего они отпираются. При этом коммутирующий конденсатор 7 начинает частично перезаряжается по цепи: (+) источника, первичная полуобмотка 14 выходного понижающего трансформатора 12, тиристор 5, коммутирующий конденсатор 7, тиристор 4, (-) источника; а тиристор 6 восстанавливает свою запирающую способность, поскольку к нему приложено обратное напряжение по цепи: левая обкладка коммутирующего конденсатора 7, тиристор 4, тиристор 6. При этом напряжение на коммутирующем конденсаторе 7 за счет частичного перезаряда по цепи: коммутирующий конденсатор 7, тиристор 4, дроссель 10, тиристор 11, коммутирующий конденсатор 7 понижается до необходимого для нормальной работы инверторного источника питания. В результате такого перезаряда напряжение на коммутирующем конденсаторе 7 сменит свою полярность и (+) теперь находится на правой обкладке коммутирующего конденсатора 7. По окончании перезаряда коммутирующего конденсатора 7 тиристоры 5 и 4 выключаются. Тиристор 11 выключается в тот момент, когда напряжение на коммутирующем конденсаторе 7, в результате перезаряда, станет равным нулю.

В следующем такте управляющие импульсы поступают на тиристоры 3 и 4, в результате чего они отпираются и ток начинает протекать по цепи: (+) источника, полуобмотка 13 выходного понижающего трансформатора 12, тиристоры 3 и 4, (-) источника. С вторичной полуобмотки 15 выходного понижающего трансформатора 12 ток поступает в нагрузку. Для прекращения протекания тока в нагрузке управляющими импульсами отпирают тиристоры 6 и 9. При этом коммутирующий конденсатор 7 начинает частично перезаряжаться по цепи: (+) источника, первичная полуобмотка 13 выходного понижающего трансформатора 12, тиристор 3, коммутирующий конденсатор 7, тиристор 6, (-) источника; а тиристор 4 восстанавливает свою запирающую способность (поскольку к нему приложено обратное напряжение) по цепи: правая обкладка коммутирующего конденсатора 7, тиристор 6, тиристор 4. При этом напряжение на коммутирующем конденсаторе за счет частичного перезаряда по цепи: коммутирующий конденсатор 7, тиристор 6, дроссель 8, тиристор 9, коммутирующий конденсатор 7 понижается до необходимого для нормальной работы инверторного источника питания. В результате такого перезаряда напряжение на коммутирующем конденсаторе 7 сменит свою полярность и (+) теперь находится на левой обкладке коммутирующего конденсатора 7. По окончании перезаряда коммутирующего конденсатора 7 тиристоры 3 и 6 выключаются. Тиристор 9 выключается в тот момент, когда напряжение на коммутирующем конденсаторе 7, в результате перезаряда, станет равным нулю.

При широтно-импульсной модуляции регулируемым параметром является длительность включения тиристоров (t им=var) 3, 4 или 5, 6 при постоянной частоте (f=const).

Длительность включения тиристоров изменяется параметрически или с помощью обратных связей. Это обеспечивает изменение длительности протекания тока в режиме нагрузки в выходном понижающем трансформаторе за каждый полупериод и тем самым позволяет регулировать сварочный ток. Работа источника при широтно-импульсной модуляции иллюстрируется эпюрами токов и напряжений на Фиг.3.

Для правильной работы источника необходимо, чтобы очередное включение последовательно включенных тиристоров 3 и 4 происходило после отключения тиристоров 5 и 6 и наоборот, т.к. источник может работать только лишь при этом условии. С уменьшением сварочного тока частота его пульсаций не изменяется, что способствует устойчивому горению дуги.

б. Режим с комбинированным импульсным управлением. В этом случае в режиме нагрузки частота поочередного отпирания последовательно включенных тиристоров 3, 4 и 5, 6 будет переменной (f=var) и задаваться параметрически или с помощью обратных связей, но управляющие импульсы, необходимые для отпирания этих тиристоров, должны поступать с задержкой по отношению к управляющим импульсам на тиристоры 4, 11 и 6, 9. Эта задержка определяет длительность паузы при протекании тока в полуобмотках 13, 14 выходного понижающего трансформатора 12.

Таким образом, увеличение частоты следования управляющих импульсов, поступающих поочередно на пары тиристоров 3, 4 и 5, 6, приводит к уменьшению длительности импульсов тока, протекающих в полуобмотках 13, 14 выходного понижающего трансформатора 12, т. к. длительность паузы не меняется. Поэтому с увеличением частоты ток будет снижаться. Такой способ обеспечивает стабильное горение дуги и расширяет регулировочные возможности инвертора.

Работа источника при комбинированном импульсном управлении иллюстрируется эпюрами токов и напряжений на Фиг.4.

в. Режим с частотно-импульсным управлением. При частотно-импульсной модуляции частота для попарного отпирания тиристоров 3, 4 и 5, 6 непостоянна (f=var), а задается параметрически или с помощью обратных связей, т.е регулируемыми параметром являются период одного такта Т, а длительность включения силовых тиристоров постоянна (tим=const).

Работа источника при частотно-импульсном управлении иллюстрируется эпюрами токов и напряжений на Фиг.5.

Предлагаемая схема инвертора обеспечивает ограничение роста напряжения на коммутирующем конденсаторе в допускаемых пределах, а именно ниже номинальных значений напряжения на силовых элементах схемы, что существенно повышает надежность и долговечность инверторного источника.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Инверторный источник питания для электродуговой сварки, содержащий две параллельные ветви, состоящие из двух последовательно соединенных тиристоров и половины первичной обмотки выходного понижающего трансформатора, причем питающее напряжение подводится в диагональ, образованную между средней точкой первичной обмотки выходного понижающего трансформатора и точкой соединения свободных катодов тиристоров параллельных ветвей, а коммутирующий конденсатор включен между точками соединения анодов и катодов тиристоров параллельных ветвей, отличающийся тем, что параллельно тиристорам, катоды которых соединены вместе, подключены ограничительные цепи, состоящие из последовательно соединенных тиристора и дросселя, причем катод тиристора ограничительной цепи подключен к аноду тиристора параллельной ветви, а свободный конец обмотки дросселя - к катоду того же тиристора параллельной ветви.

Версия для печати


вверх