источник питания для плазменно-дуговой обработки

Формула изобретения

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ, содержащий выпрямитель, конденсатор и однофазный трансформатор с первичной и двумя вторичными обмотками, первая из которых первым выводом подключена через конденсатор к первой входной клемме выпрямителя, а вторым выводом подключена к второй входной клемме выпрямителя, причем вторая вторичная обмотка выполнена с повышенным рассеянием, отличающийся тем, что выпрямитель выполнен по трехфазной мостовой схеме и третьей входной клеммой соединен с первым выводом второй вторичной обмотки, второй вывод которой соединен с вторым выводом первой вторичной обмотки, причем первая и вторая вторичные обмотки включены встречно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сварочной технике, а именно конкретно к источникам питания для плазменно-дуговых установок, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, а также в бытовых условиях.

Известен источник питания плазменно-дуговых установок, содержащий однофазный трансформатор, выпрямитель и дроссель, включенный последовательно дуговому промежутку. Недостатком указанного источника являются низкие технико-экономические показатели, а именно невысокий коэффициент мощности, значительные масса и габариты. Низкий коэффициент мощности препятствует эффективному использованию источника питания особенно в бытовых условиях.

Известен также источник питания, содержащий однофазный трансформатор, батарею конденсаторов, выпрямитель и дроссель. Источник позволяет производить сварку и резку плазменной дугой на относительно низких уровнях тока (до 30 А). Однако он имеет ограничение по качеству плазменно-дуговой обработки материалов, так как не обеспечивает высокой стабильности параметров режима из-за недостаточной крутизны внешней характеристики и значительных пульсаций выходного тока. Наличие дросселя приводит к увеличению массы и габаритов источника питания.

Наиболее близким к изобретению (прототипом) является источник питания, содержащий однофазный трансформатор с двумя вторичными обмотками, два однофазных выпрямителя, конденсатор и ограничительный резистор. Один выпрямитель подключен к первой вторичной обмотке однофазного трансформатора, а другой через конденсатор к второй вторичной обмотке однофазного трансформатора. При этом первая вторичная обмотка выполнена с повышенным рассеянием. Оба выпрямителя включены параллельно на стороне постоянного тока. Схема источника питания позволяет компенсировать реактивные составляющие токов и как следствие имеет высокий коэффициент мощности. В свою очередь это приводит к снижению потребляемого тока и позволяет улучшить массообъемные показатели. Устройство работает в режиме со сниженными пульсациями выходного тока, обусловленными фазовым сдвигом между токами на выходе первого и второго выпрямителей. Специальное выполнение вторичной обмотки и введение ограничительного резистора повышают надежность и улучшают массообъемные показатели.

Недостатком источника питания является то, что он не обеспечивает необходимого качества резки и сварки.

При выполнении устройства на неуправляемых вентилях это связано с недостаточной крутизной внешней характеристики, имеющей практически линейный характер. Такой вид внешней характеристики источника питания связан с тем, что она является результирующей линейных внешних характеристик двух однофазных выпрямителей.

При выполнении источника питания на управляемых вентилях можно обеспечить крутопадающую внешнюю характеристику. Однако это не приводит к улучшению качества обработки (резки и сварки) из-за значительного увеличения пульсаций в выходном токе при регулировании.

Кроме того, наличие в схеме двух однофазных мостовых выпрямителей требует расхода не менее 8 полупроводниковых вентилей.

В основу изобретения положено решение задачи создания источника питания для плазменно-дуговой обработки, обеспечивающего высокое качество обработки материалов, с уменьшенным расходом полупроводниковых вентилей.

Поставленная задача решается тем, что в источнике питания для плазменно-дуговой обработки, содержащем выпрямитель, однофазный трансформатор с первичной и двумя вторичными обмотками, первая из которых первым выводом подключена через конденсатор к первой входной клемме выпрямителя, а вторым выводом подключена к второй входной клемме выпрямителя, вторая вторичная обмотка выполнена с повышенным рассеянием, выпрямитель выполнен по трехфазной мостовой схеме и третьей входной клеммой соединен с первым выводом второй вторичной обмотки, второй вывод которой соединен с вторым выводом первой вторичной обмотки, причем первая и вторая вторичные обмотки включены встречно.

Такая реализация электрической схемы источника питания, в которой используется трехфазный мостовой выпрямитель, питаемый от однофазного трансформатора, обеспечивает фазовый сдвиг между напряжениями на входе трехфазного мостового выпрямителя за счет индуктивности рассеяния второй вторичной обмотки трансформатора и результирующего емкостного характера внутреннего сопротивления ветви, включающей первую вторичную обмотку трансформатора и конденсатор.

Естественная внешняя характеристика заявляемого источника является крутопадающей, так как работа трехфазного мостового выпрямителя в предлагаемом источнике питания в стационарных режимах по характеру электромагнитных процессов близка к работе трехфазного мостового выпрямителя, питаемого от трехфазного трансформатора с рассеянием, вторичные обмотки которого подключены по схеме открытого треугольника.

Оптимальным режимом работы предлагаемого источника питания является режим, при котором токи первой и второй вторичных обмоток равны по амплитуде и действующему значению, и равны реактивные сопротивления второй вторичной обмотки и ветви, включающей конденсатор. Такой режим обеспечивает минимальные пульсации выходного тока. В указанном оптимальном режиме ток, потребляемый предлагаемым устройством из питающей сети, имеет только активную составляющую, так как реактивные составляющие токов вторичных обмоток взаимно компенсируются. При правильном выборе параметров элементов источника питания обеспечивается максимально возможное значение коэффициента мощности.

Таким образом совокупность заявляемых признаков позволяет реализовать свойства источника питания, которое обеспечивают высокое качество обработки материалов за счет получения естественной крутопадающей внешней характеристики и малых пульсаций выходного тока в рабочем режиме, а также высокий коэффициент мощности источника питания. Схема позволяет снизить расход вентилей по сравнению с устройством-прототипом.

На чертеже изображена принципиальная электрическая схема источника питания для плазменно-дуговой обработки материалов.

Устройство содержит выпрямитель 1, выполненный по трехфазной мостовой схеме с первой 2, второй 3 и третьей 4 входными клеммами, однофазный трансформатор 5 с первичной обмоткой 6 и двумя вторичными обмотками 7 и 8 соответственно. Первый вывод первой вторичной обмотки 7 однофазного трансформатора 5 подключен через конденсатор 9 к первой входной клемме 2 выпрямителя 1. Второй вывод первой вторичной обмотки 7 подключен к второй входной клемме 3 выпрямителя 1. Первый вывод второй вторичной обмотки 8 соединен с третьей входной клеммой 4 выпрямителя 1, а ее второй вывод с вторым выводом первой вторичной обмотки 7 однофазного трансформатора 5. Первая 7 и вторая 8 вторичные обмотки однофазного трансформатора 5 включены встречно. Нагрузка 10 является стабилизированной дугой (поток низкотемпературной плазмы).

Устройство работает следующим образом.

После подключения источника питания к сети переменного тока на выходе выпрямителя 1 устанавливается напряжение холостого хода. Выходное напряжение имеет две пульсации за период, соответствующий частоте питающей сети, так как отсутствует фазовый сдвиг между напряжениями на входе выпрямителя 1. При подключении нагрузки 10 к выходу выпрямителя 1 (при зажигании стабилизированной дуги) через нее начинает протекать ток, одна составляющая которого через емкостную ветвь, включающую первую вторичную обмотку 7 однофазного трансформатора 5 и конденсатор 9, а другая через индуктивную ветвь, включающую вторую вторичную обмотку 8, выполненную с повышенным рассеянием. Выходной ток имеет четыре пульсации за период изменения сетевого напряжения. Токи емкостной и индуктивной ветвей содержат активные и реактивные составляющие.

Схема позволяет реализовать режим работы устройства, при котором соотношение параметров источника питания и нагрузки обеспечивает фазовый сдвиг между токами в емкостной и индуктивной ветвях на угол 90^о, равенство их амплитудных и действующих значений. При этом глубина пульсаций в выходном токе минимальна. Ток, потребляемый источником питания из сети по форме близок к синусоидальному.

Схема может быть реализована на следующей элементной базе. Выпрямитель может быть выполнен на кремниевых или германиевых выпрямительных диодах, а силовой трансформатор на базе типовых силовых трансформаторов, применяемых в установках плазменной обработки. Конденсатор металлобумажный или другого исполнения, рассчитанный на работу в цепи переменного тока.

Электрическая схема источника питания может быть применена в установках для плазменно-дуговой обработки материалов, включая резку, сварку, наплавку, термообработку и т.д.

Реализация предлагаемой электрической схемы источника питания позволяет в 1,5-2 раза по сравнению с прототипом повысить угол наклона (крутизну) внешней характеристики в рабочей области. Коэффициент пульсаций выходного тока при этом не превышает 0,15-0,2.

Обеспечение естественной крутопадающей внешней характеристики и низкого уровня пульсаций выходного тока приводит к повышению стабильности параметров процесса и, следовательно, к повышению качества обработки материалов.

Расход полупроводниковых вентилей по сравнению с устройством-прототипом снижается на 2 единицы. Высокий коэффициент мощности (более 0,9) позволяет эффективно использовать заявляемый источник в бытовых условиях.