источник питания для дуговой сварки

Формула изобретения

Источник питания для дуговой сварки, содержащий первый и второй выпрямители, параллельно подключенные к дуговому промежутку, и однофазный трансформатор с магнитопроводом, на котором расположены первичная и первая и вторая вторичные обмотки, первая из которых электрически связана с первым выпрямителем, а вторая вторичная обмотка с вторым выпрямителем, причем первый и второй выпрямители выполнены на основе неуправляемых вентилей, отличающийся тем, что магнитопровод трансформатора выполнен трехстержневым, каждая вторичная обмотка выполнена в виде двух последовательно и согласно соединенных секций, при этом первичная обмотка и первые секции вторичных обмоток расположены на среднем стержне магнитопровода, а вторые секции вторичных обмоток расположены на крайних стержнях магнитопровода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сварке металлов и может быть использовано в установках для дуговой сварки.

Наиболее широкое распространение получили источники питания для дуговой сварки, содержащие трансформатор, один неуправляемый выпрямитель и сглаживающий дроссель /1,2/. Они просты и надежны в эксплуатации, однако имеют повышенную массу меди и стали и потребляют большую мощность из электрической сети. Для снижения массы меди и потребляемой мощности из сети сравнительно часто в таких установках используют импульсные стабилизаторы дуги или другие устройства, обеспечивающие повышенное напряжение на дуговом промежутке при зажигании дуги /3,4/. Недостатками этих источников являются низкая надежность, трудность ремонта, что связано с использованием в них электронных схем и сложных систем управления.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран источник питания для дуговой сварки, содержащий однофазный трансформатор с двумя вторичными обмотками и два выпрямителя, подключенных параллельно дуговому промежутку /5/. Напряжение холостого хода первой вторичной обмотки составляет 80В, второй вторичный 28 30В. Обмотки намотаны на один стержень магнитопровода, что обеспечивает жесткую внешнюю характеристику выпрямителя. Первая вторичная обмотка с подключенным к ней вспомогательным выпрямителем служит для возбуждения и устойчивого горения дуги, вторая вторичная обмотка и основной выпрямитель обеспечивают рабочий ток при сварке. Конденсатор, включенный последовательно с первой вторичной обмоткой, ограничивает ток этой обмотки и осуществляет фазовый сдвиг токов выпрямителей. Требуемое ограничение тока короткого замыкания обеспечивает электрическая схема и система управления ею. Недостатком этого источника является низкая надежность работы и повышенная сложность системы управления электронной схемы. Наличие конденсатора увеличивает массу выпрямителя.

В основу изобретения положена задача создать источник питания для дуговой сварки, обеспечивающий высокие сварочно-технологические свойства (устойчивое горение дуги, малое разбрызгивание металла) при низком уровне потребляемой из электрической сети мощности и высокой надежности работы. Источник должен иметь сниженные массогабаритные показатели.

Поставленная задача решается тем, что источник питания для дуговой сварки, содержащий первый и второй выпрямители, параллельно подключены к дуговому промежутку, однофазный трансформатор с магнитопроводом, на котором расположены первичная и первая и вторая вторичные обмотки, первая из которых электрически связана с первым выпрямителем, а вторая обмотка со вторым выпрямителем, согласно изобретению имеет трехстержневой магнитопровод трансформатора, каждая вторичная обмотка выполнена в виде двух последовательно и согласно соединенных секций, при этом первичная обмотка и первые секции вторичных обмоток расположены на среднем стержне магнитопровода, а вторые секции вторичных обмоток расположены на крайних стержнях магнитопровода, причем первый и второй выпрямители выполнены на основе неуправляемых вентилей.

Повышение надежности заявляемого источника обеспечивается использованием неуправляемых вентилей в выпрямителях, при этом подключенные параллельно нагрузке основной и вспомогательный вентили позволяют получить напряжение холостого хода источника 65 75В при низком уровне потребляемой из сети мощности. В отличие от прототипа в заявляемом источнике ограничение тока короткого замыкания осуществляется за счет падения напряжения на индуктивности рассеяния трансформатора. Для этого первичная и вторичные обмотки расположены на разных стержнях магнитопровода. Однако расположение витков вторичных обмоток основного и вспомогательного выпрямителей на одном стержне приводит к снижению основного магнитного потока в нем, что снижает рабочие токи выпрямителей и отрицательно сказывается на массогабаритных показателях.

С целью устранения электромагнитной связи вторичных обмоток трансформатора, приводящей к снижению рабочего тока, в заявленном решении предлагается выполнить магнитопровод трехстержневым, причем первичную обмотку расположить на среднем стержне, а вторичные обмотки следует выполнить двухсекционными из последовательно и согласно соединенных секций. При этом первые секции вторичных обмоток следует расположить на среднем стержне, где и первичная обмотка, а вторичные секции вторичных обмоток расположить на разных крайних стержнях магнитопровода. Количество витков секций на крайних стержнях определяет сопротивление в цепи переменного тока соответствующего выпрямителя, ограничивающее ток короткого замыкания источника. Сопротивления секций вторичных обмоток, расположенных на среднем стержне, пренебрежимо малы по сравнению с сопротивлением секций на крайних стержнях. Эти секции используются только для получения требуемого напряжения холостого хода обмотки. Поскольку секции обмоток основного и вспомогательного выпрямителей расположены на разных крайних стержнях магнитопровода, отсутствует эффект снижения основного магнитного потока, охватываемого обмоткой одного из выпрямителей, вследствие прохождения тока в обмотке другого выпрямителя.

Следует отметить, что прохождение тока по обмотке вспомогательного выпрямителя приводит к увеличению части основного потока, ответвляющегося в крайний стержень, на котором расположена обмотка основного выпрямителя. В данном случае он играет роль магнитного шунта. Основной поток в этом стержне является максимальным при работе одного вспомогательного выпрямителя (в начале внешней характеристики источника при зажигании дуги) и уменьшается по мере нарастания тока в основном выпрямителе. Следовательно, напряжение холостого хода основного выпрямителя повышается при токах нагрузки (I_нагр.), не превышающих рабочий ток (I_раб.), и снижается при I_нагр.>I_раб..

Использование этого эффекта в заявленном решении позволило получить рабочую точку на внешней характеристике источника, содержащего неуправляемые вентили, при низком значении напряжения холостого хода основного выпрямителя с одновременным выполнением условия ограничения тока короткого замыкания, обеспечивающего малое разбрызгивание металла (I_к.з./I_раб.=1,35^oC1,4 /6/).

Существенное расширение возможностей формирования требуемой внешней характеристики источника при минимальных массогабаритных показателях трансформатора обеспечивает выбор оптимального соотношения между площадями поперечных сечений крайних стержней магнитопровода, а также между количеством витков секций каждой вторичной обмотки, расположенных на среднем и крайнем стержнях.

В заявленном источнике выпрямительный ток не спадает до нуля в процессе горения дуги благодаря сдвигу фаз между токами основного и вспомогательного выпрямителей вследствие существенных индуктивностей рассеяния их обмоток. Это условие является основным для обеспечения устойчивого горения дуги в сварочном выпрямителе /7/.

Снижение массогабаритных показателей достигнуто за счет отсутствия в заявленном источнике конденсатора в цепи вспомогательного выпрямителя и блока управления тиристорами.

На фиг.1 представлена электрическая схема заявляемого источника питания; на фиг. 2 внешняя характеристика заявляемого источника, в том числе внешние характеристики основного и вспомогательного выпрямителей; на фиг. 3 - осциллограммы токов в заявленном источнике.

Заявленный источник питания содержит однофазный трансформатор 1 с магнитопроводом, имеющим три стержня: средний 2 и два крайних 3 и 4 соответственно. На среднем стержне 2 трансформатора 1 расположена первичная обмотка 5. Первая вторичная обмотка 6 разделена на секции, первая секция 7 расположена на среднем стержне 2, а вторая секция 8 на крайнем стержне 3 магнитопровода. Вторая вторичная обмотка 9 также состоит из двух секций, первая секция 10 расположена на среднем стержне 2, а вторая секция 11 на втором крайнем стержне 4 магнитопровода. Вторичная обмотка 8 соединена со вспомогательным выпрямителем 12, а вторичная обмотка 9 о основным выпрямителем 13.

Источник питания работает следующим образом. После включения первичной обмотки 5 на выходах выпрямителей 12 и 13 устанавливается постоянное напряжение, по величине близкое к напряжению холостого хода первой вторичной обмотки 6. Это напряжение запирает большую часть периода работы источника выпрямителя 13. Поэтому ток вспомогательного выпрямителя 12 значительно превышает ток основного выпрямителя 13.

Ток в дуговом промежутке 14 складывается из токов этих выпрямителей. Прохождение тока по секции 8 первой вторичной обмотки 6 приводит к увеличению основного магнитного потока в стержне 4, что в свою очередь увеличивает ток основного выпрямителя 13.

При увеличении тока в дуговом промежутке 14 снижается напряжение на выходе вспомогательного выпрямителя 12, поскольку возрастает падение на индуктивности рассеяния трансформатора 1. Время включения основного выпрямителя 13 увеличивается, а следовательно увеличивается значение тока этого выпрямителя. В рабочей точке основания часть тока обеспечивается основным выпрямителем.

При токах, превышающих рабочий, основной магнитный поток в стержне 4 снижается из-за значительного падения напряжения на индуктивности рассеяния секции 11. Снижение основного потока в стержнях 3 и 4 способствует получению крутопадающей внешней характеристики источника, что обеспечивает ограничение тока короткого замыкания.

На фиг. 2 показана внешняя характеристика 15 заявляемого источника, а также внешние характеристики 16 и 17 основного и вспомогательного выпрямителей. Напряжение холостого хода вспомогательного выпрямителя составляет (для примера) 70В, основного 36В. Из приведенных зависимостей видно, что в рабочей точке (V_дуги 25В, I_раб. 125А) основную часть тока нагрузки (100А) дает основной выпрямитель 13. Обмотка 9 включается при напряжениях, превышающих 36В, что объясняется как сдвигом фаз токов основного и вспомогательного выпрямителей 13 и 12, так и увеличением напряжения холостого хода этой обмотки за счет увеличения основного магнитного потока в стержней 4 при работе вспомогательного выпрямителя 12.

На фиг. 3 даны зависимости от времени тока 18 в дуговом промежутке, тока 19 основного выпрямителя и тока 20 вспомогательного выпрямителя.

Они показывают, что в заявленном источнике достигнут фазовый сдвиг между токами основного и вспомогательного выпрямителей, потому ток дуги не спадает до нуля и дуга горит устойчиво.

Таким образом, трансформатор с трехстержневым магнитопроводом, на котором определенным образом размещены вторичные обмотки, подключенные к двум параллельно соединенным выпрямителям, в заявленном источнике проявил следующие свойства:

повышение напряжения холостого хода одной из вторичных обмоток при протекании тока по другой;

обеспечение сдвига фаз токов основного и вспомогательного выпрямителей.

Эффективность заявляемого изобретения подтверждается следующим примером. На базе серийно выпускаемого бытового сварочного выпрямителя ВД-861 /8/ - аналог авторами разработан макет источника питания для ручной дуговой сварки, содержащий два параллельно соединенных неуправляемых выпрямителя, один из которых обеспечивает зажигание дуги, а другой рабочий ток. Трансформатор имеет магнитопровод с тремя стержнями. Напряжение холостого хода источника составляет 70В, отношение тока короткого замыкания к рабочему току не превышает 1,4. Испытания источника показали его высокие сварочно-технологические свойства легкость зажигания и устойчивость горения дуги, малое разбрызгивание металла, высокую эластичность дуги. Достигнут низкий уровень потребления мощности из сети, например, при рабочем токе 125А сетевой ток не превышает 27А.

По сравнению с прототипом заявленный источник имеет следующие преимущества:

повышение надежности работы;

снижение массогабаритных показателей установки.