сварочный аппарат постоянного тока (варианты)

Формула изобретения

1. Сварочный аппарат постоянного тока, содержащий силовой трансформатор, на магнитопроводе которого расположены первичная, вторичная и вспомогательная обмотки, основной и вспомогательный выпрямители, соединенные входными выводами соответственно с выводами вторичной и вспомогательной обмоток, а выходными выводами подключенные к дуговому промежутку, отличающийся тем, что в него введены силовой и накопительный дроссели, а силовой трансформатор выполнен насыщающимся, при этом силовой дроссель включен последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора, вспомогательная обмотка одним из выводов, связанных с одним из входных выводов вспомогательного выпрямителя, соединена электрически согласно со вторичной обмоткой и вторым выводом через накопительный дроссель - с другим входным выводом вспомогательного выпрямителя, или вспомогательная обмотка одним из выводов, связанных с одним из входных выводов вспомогательного выпрямителя, соединена электрически согласно со вторичной обмоткой через накопительный дроссель и вторым выводом - с другим входным выводом вспомогательного выпрямителя.

2. Сварочный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что основной выпрямитель выполнен по мостовой схеме, а вспомогательный выпрямитель выполнен двухдиодным.

3. Сварочный аппарат постоянного тока, содержащий силовой трансформатор, на магнитопроводе которого расположены первичная и вторичная обмотки, основной выпрямитель, соединенный входными выводами с выводами вторичной обмотки, и вспомогательный выпрямитель, выход которого и выходные выводы основного выпрямителя подключены к дуговому промежутку, отличающийся тем, что в него введены вспомогательный трансформатор, силовой и накопительный дроссели, а силовой трансформатор выполнен насыщающимся, при этом силовой дроссель включен последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора, параллельно вторичной обмотке которого подключена первичная обмотка вспомогательного трансформатора, соединенная одним выводом с одним из входных выводов вспомогательного выпрямителя и последовательно согласно непосредственно или через накопительный дроссель с одним выводом его вторичной обмотки, которая другим выводом через накопительный дроссель или непосредственно подключена к другому входному выводу вспомогательного выпрямителя.

4. Сварочный аппарат по п. 3, отличающийся тем, что основной выпрямитель выполнен по мостовой схеме, а вспомогательный выпрямитель выполнен двухдиодным.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам для питания сварочной дуги постоянного тока, и может быть использовано в любой области техники в качестве источника питания с падающими внешними характеристиками.

Дуга постоянного тока была открыта Петровым, а затем Деви совершенно случайно при закорачивании примитивных гальванических батарей без деполяризатора, имеющих большое внутреннее сопротивление, то есть падающую характеристику. Такая дуга может быть получена от любого источника постоянного напряжения, превышающего напряжение дуги, с последовательно включенным балластным сопротивлением, что обеспечивает устойчивость дуги, имеющей S-образные вольтамперные характеристики.

С распространением более дешевого переменного тока делались механические попытки получения дуги от трансформатора с жесткой характеристикой и балласта. Они кончились полной неудачей. В этом случае ток дуги совпадает по фазе с напряжением источника. Когда напряжение становится меньше напряжения горения дуги (например, 20В), ток дуги прекращается и при отрицательном напряжении ток не возобновляется. Это происходит потому, что "мертвая зона" напряжения от +20 В через нуль до -20 В продолжается несколько миллисекунд, и дуга гаснет.

Впервые дуга переменного тока была получена Яблочковым, решившим проблему "деления света" путем использования трансформатора, как сказали бы сейчас "с развитым магнитным рассеянием", то есть с токоограничивающей индуктивностью.

В источниках с токоограничивающей индуктивностью ток дуги отстает но фазе от напряжения источника. Поэтому в момент достижения нулевого тока напряжение источника не только не нулевое, но отрицательное и равно 0,8-0,9 от амплитуды напряжения. Переход от напряжения на дуге, например, +20 В к напряжению источника, например, -70 В происходит "мгновенно", то есть без "мертвой зоны". На самом деле это время, конечно, например, при индуктивности 1000 мкГн и емкости 100 пФ постоянная времени равна 0,3 мкс. За такое время ионизация дуги не успевает прекратиться. Поэтому дуга переменного тока прерывается не из-за нулевого тока, время которого бесконечно мало, а из-за достаточно длительного интервала малого тока. Например, время тока от +4 А через нуль до -4 А длится 200 мкс, от +2 А до -2 А длится 100 мкс, от +1 А до -1 А - около 50 мкс. В области малых токов дуга имеет отрицательное сопротивление, то есть с уменьшением тока напряжение растет. Если напряжение достигнет, например, 50, 70 или 100 В, то дуга переменною тока может прерваться.

В источниках постоянного тока с выпрямительным мостом и токоограничивающей индуктивностью в цепи переменного тока вышеописанные процессы коммутации и сдвига фазы тока происходят в точности, как в источниках переменного тока. Из-за наличия выпрямительного моста ток никогда не становится нулевым, но интервал малых токов также существует, и это может привести к прерыванию дуги постоянного тока.

По этой причине сварочные выпрямители выполняются преимущественно трехфазными, где за счет перекрытия фаз малые токи исключены. Однако существует значительная область аппаратов постоянного тока, питаемых от однофазной цепи, например бытовых. В таких аппаратах используется силовой дроссель постоянного тока, включаемый после моста.

Если выполнено условие L_др/U_д>L_тр/е, где L_др, L_тр - индуктивности дросселя и трансформатора соответственно; U - напряжение дуги; е - мгновенное значение ЭДС на выходе трансформатора в момент перемены знака тока во вторичной обмотке, то есть ток дуги не доходит то нуля. При дальнейшем укреплении неравенства пульсации тока дуги могут быть еще уменьшены вплоть до полного постоянства тока при L_др_ .

Этот силовой дроссель пропускает полный сварочный ток и требование увеличения его индуктивности приводит к тому, что при массе и мощности рассеяния дроссель становится соизмеримым с трансформатором.

Известен сварочный трансформатор для сварки на постоянном токе, содержащий магнитную систему, первичную обмотку, вторичную обмотку, выполненную из нескольких секций, и переключатели этих секции, при этом трансформатор выполнен из нескольких модулей, каждый из которых имеет обмотки поджига в виде нескольких секций, конденсатор, переключатель выполнен с четырьмя группами неподвижных контактов и с двумя подвижными контактами, два выпрямительных блока, выходы которых соединены между собой пополюсно (см. пат. RU 2006087, кл. Н 01 F 38/08, от 21.02.92).

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции и значительные габариты.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому изобретению является сварочный аппарат постоянного тока, содержащий силовой трансформатор, на магнитопроводе которого расположены первичная, вторичная и вспомогательная обмотки, основной и вспомогательный выпрямители, соединенные входными выводами соответственно с выводами вторичной и вспомогательной обмоток, а выходными выводами подключенные к дуговому промежутку (см. a. c. СССР 1712973, кл. H 01 F 31/06, от 15.02.89).

Однако и это известное устройство имеет значительные габариты, так как трансформатор работает в ненасыщенном режиме и не отличается падежной работоспособностью из-за возможности прерывания тока дуги из-за того, что ток через конденсатор идет только при скачке напряжения, который бывает при прерывании тока.

Техническим результатом является снижение габаритов и повышение надежности за счет обеспечения непрерывности выпрямленного тока дуги.

Для решения этой задачи в сварочный аппарат постоянного тока, содержащий силовой трансформатор, на магнитопроводе которого) расположены первичная, вторичная и вспомогательная обмотки, основной и вспомогательный выпрямители, соединенные входными выводами соответственно с выводами вторичной и вспомогательной обмоток, а выходными выводами подключенные к дуговому промежутку, согласно изобретению в аппарат введены силовой и накопительный дроссели, а силовой трансформатор выполнен насыщающимся, при этом силовой дроссель включен последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора, вспомогательная обмотка одним из выводов, связанных с одним из входных выводов вспомогательного выпрямителя, соединена электрически согласно со вторичной обмоткой и вторым выводом через накопительный дроссель - с другим входным выводом вспомогательного выпрямителя, или вспомогательная обмотка одним из выводов, связанных с одним из входных выводов вспомогательного выпрямителя, соединена электрически согласно со вторичной обмоткой через накопительный дроссель и вторым выводом - с другим входным выводом вспомогательного выпрямителя.

Согласно второму варианту изобретения в сварочный аппарат постоянного тока, содержащий силовой трансформатор, на магнитопроводе которого расположены первичная и вторичная обмотки, основной выпрямитель, соединенный входными выводами с выводами вторичной обмотки, и вспомогательный выпрямитель, выходные выводы которого и выходные выводы основного выпрямителя подключены к дуговому промежутку, введены вспомогательный трансформатор, силовой и накопительный дроссели, а силовой трансформатор выполнен насыщающимся, при этом силовой дроссель включен последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора, параллельно вторичной обмотке которого подключена первичная обмотка вспомогательного трансформатора, соединенная одним выводом с одним из входных выводов вспомогательного выпрямителя и последовательно согласно непосредственно или через накопительный дроссель с одним выводом его вторичной обмотки, которая другим выводом через накопительный дроссель или непосредственно подключена к другому входному выводу вспомогательного выпрямителя, при этом основной выпрямитель выполнен по мостовой схеме, а вспомогательный выпрямитель выполнен двухдиодным.

Сущность изобретения заключается в том, что введение вышеуказанных элементов и связей между ними позволяет накопить необходимую энергию к моменту переключения тока в мосте выпрямителя.

При горении дуги напряжение трансформируется и через вспомогательную обмотку подается па вспомогательный дроссель и через вспомогательный диод соответствующей полярности подается на дугу.

Этот ток линейно нарастает за полупериод тока дуги и к концу полупериода достигает небольшой части тока дуги. Однако в момент прекращения тока силового выпрямителя даже малый ток дросселя и вспомогательного диода не позволяет току дуги упасть до нуля, то есть поставленная цель непрерывности тока достигается.

Снижение габаритов устройства обусловлено уменьшением сечения магнитопровода и возможностью стабильной работы в насыщенном режиме при меньшем напряжении холостого хода.

Сравнение предлагаемых технических решений с ближайшим аналогом позволяет утверждать о соответствии критерию "новизна", а отсутствие отличительных признаков в известных аналогах говорит о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Предварительные испытания позволяют судить о возможности промышленного использования.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема первого варианта предложенного устройства;

на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема второго варианта предложенного устройства;

на фиг.3 - временные диаграммы работы устройства.

Сварочный аппарат постоянного тока (фиг.1) содержит силовой трансформатор с насыщающимся магнитопроводом 1, на котором расположены первичная, вторичная и вспомогательная обмотки 2, 3 и 4 соответственно, основной выпрямитель, выполненный по мостовой схеме на диодах 5-8, соединенный входными выводами с выводами вторичной обмотки 3.

Кроме того, устройство содержит вспомогательный выпрямитель, который выполнен, например, на двух диодах 9, 10 и соединен входными выводами с выводами вспомогательной обмотки 4, а также содержит силовой и накопительный дроссели 1 и 12 соответственно.

Вспомогательная обмотка 4 одним из выводов, связанных с одним из входных выводов вспомогательного выпрямителя, соединена электрически согласно со вторичной обмоткой 3 и вторым выводом через накопительный дроссель 12 подключена к другому входному выводу вспомогательного выпрямителя. Возможен вариант, при котором вспомогательная обмотка 4 одним из выводов, связанных с одним из входных выводов вспомогательного выпрямителя, соединена электрически согласно со вторичной обмоткой 3 через накопительный дроссель 12 и вторым выводом подключена к другому входному выводу вспомогательного выпрямителя.

При этом силовой дроссель 11 в обоих случаях должен быть включен последовательно с первичной обмоткой 2 силового трансформатора.

На фиг. 1 показана условно индуктивность 13 рассеяния силового трансформатора, играющая существенную роль в работе устройства.

Выходные выводы основного и вспомогательного выпрямителей подключены к дуговому промежутку 14. Кроме того, имеются входные клеммы 15,16, на которые поступает напряжение источника питания.

Сварочный аппарат постоянного тока (фиг.2) также содержит силовой трансформатор с насыщающимся магнитопроводом 1, на котором расположены первичная и вторичная обмотки 2 и 3 соответственно, основной выпрямитель, выполненный по мостовой схеме на диодах 58, своими входными выводами соединенный с выводами вторичной обмотки 3 силового трансформатора.

Кроме того, устройство содержит вспомогательный выпрямитель на диодах 9, 10, силовой и накопительный дроссели 11 и 12, индуктивность 13 рассеяния силового трансформатора, входные клеммы 15, 16 и вспомогательный трансформатор на магнитопроводе 17 с обмотками первичной 18 и вторичной 19 соответственно.

Выходы основного и вспомогательного выпрямителей подключены к дуговому промежутку 14, а силовой дроссель 11 включен последовательно с первичной обмоткой 2 силового трансформатора.

Параллельно вторичной обмотке 3 силового трансформатора подключена первичная обмотка 18 вспомогательного трансформатора, соединенная одним выводом с одним из входных выводов вспомогательного выпрямителя и последовательно согласно непосредственно или через накопительный дроссель 12 с одним выводом его вторичной обмотки 19, которая другим выводом через накопительный дроссель 12 или непосредственно подключена к другому входному выводу вспомогательного выпрямителя.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения питания на входные клеммы 15, 16 на холостом ходу (без дуги) магнитопровод 1 силового трансформатора насыщается дважды за период Т и на выходных обмотках имеется "обрезанная синусоида". Дроссель 11 служит для ограничения тока при насыщении. Токи диодов 5-10 выпрямителей равны нулю.

При возбуждении дуги закорачиванием дугового промежутка 14 или же возбудителем дуги ток дуги проходит через основной выпрямитель. Вначале он нарастает, достигает максимума и уменьшается, стремясь к нулю. Напряжение на дуге в диапазоне 5-150 А остается неизменным (например, 20 В), поэтому на вторичной обмотке 3 силового трансформатора напряжение имеет форму меандра, например 20В.

Напряжение на вспомогательной обмотке 4 тоже меандр, но значительно меньшей амплитуды, например 1,5B. Это напряжение приложено к вспомогательному дросселю 12 и через сварочную цепь линейно нарастает ток дросселя 12.

Аналогично работает предложенное устройство по другому варианту, у которого роль вспомогательной обмотки 4 играет вторичная обмотка 19 вспомогательного трансформатора.

На фиг. 3 показаны временные диаграммы перехода тока i_L силового трансформатора (этот ток показан и на фиг.1) от положительного полупериода к отрицательному. На временной диаграмме приведен масштаб времени и токов, характерных для типичного аппарата. Токи i₅, i₆, i₇, i₈ есть токи диодов 5, 6, 7, 8 соответственно. Мгновенное (временное) значение тока вспомогательного дросселя - i_др, максимальное его значение - I_др. Мгновенное (временное) значение тока дуги - i_д, минимальное его значение - I_min.

На фит.3 показаны границы временных интервалов, соответствующие характерным явлениям в устройстве. Там же приведены уравнения cooтветствующих токов с вышеприведенными обозначениями.

I-й интервал соответствует тому, что ток дуги, достигнув своего максимального значения (например, 50-300 А), начинает снижаться, стремясь к минимальному значению. К этому времени ток вспомогательного дросселя i_др увеличился до своего максимального значения I_др. Ток дуги i_др равен току i₆, но он же равен и i₅ + i_др, поэтому при снижении тока дуги ток i₅ становится равным нулю. Напряжение в точке соединения диодов 5 и 8 от значения, близкого к напряжению дуги U_д, скачком приближается к нулевому напряжению. Диод 8 открывается, ток одновременно идет через диод 8 и диод 6, то есть имеет место перекрытие токов. Так начинается II-й интервал. Дроссель работает на противоэдс U_д, ток его достаточно быстро снижается сравнительно с предыдущим интервалом.

Когда i_др и ток дуги i_д достигают минимального значения I_min, начинается III-й интервал. Ток i₆ заканчивается, появляется ток i₇.

Когда ток вспомогательного дросселя i_др и он же ток диода 9 становится нулевым, начинается IV-й интервал. Включается ток диода 10, напряжение на дросселе 12 оказывается отрицательным и составляет малую часть напряжения дуги, то есть идет медленное накопление отрицательного тока и подготовка к следующему переходу от отрицательного тока к положительному.

Эксперименты показывают, что при попытках сварки нержавеющей стали без возбудителя дуги без предлагаемого устройства сварка практически невозможна, с устройством же она проходит. Устройство получает все свойства аппарата постоянного тока, но вес вспомогательного дросселя не превышает 50-200 г.

Таким образом, в предлагаемых технических решениях достигается поставленный технический результат - значительно снижаются габариты и повышается надежность за счет обеспечения непрерывности выпрямленного тока дуги.