индукторная генераторная установка

Формула изобретения

Индукторная генераторная установка, содержащая силовой индукторный генератор постоянного тока с обмоткой возбуждения и блоком силовых выпрямителей и генератор-возбудитель постоянного тока с блоком выпрямителей, подключенный через узел регулирования выходного напряжения к упомянутой обмотке возбуждения силового индукторного генератора постоянного тока, отличающаяся тем, что узел регулирования выходного напряжения включает датчик сварочного тока, датчик сварочного напряжения, пороговое устройство по току, формирователь опорного напряжения, компаратор напряжения, широтно-импульсный модулятор и импульсный стабилизатор напряжения, при этом датчик сварочного тока и датчик сварочного напряжения подключены к выходу блока силовых выпрямителей силового индукторного генератора постоянного тока, выход датчика сварочного тока подключен через указанное пороговое устройство по току к блокирующему входу компаратора напряжения, управляющие входы которого подключены к выходу датчика сварочного напряжения и через формирователь опорного напряжения - к выходу блока выпрямителей генератора-возбудителя постоянного тока, выход компаратора напряжения подключен через упомянутый широтно-импульсный модулятор к управляющему входу импульсного стабилизатора напряжения, а выход блока выпрямителей генератора-возбудителя постоянного тока дополнительно подключен через импульсный стабилизатор напряжения к обмотке возбуждения силового индукторного генератора постоянного тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к индукторным генераторным установкам, и может быть использовано в качестве автономного источника электроэнергии на автомобилях, катерах, в электроэнергетических ветроустановках, в энергоустановках для различных производственных процессов, преимущественно для проведения электродуговой сварки пульсирующим постоянным током высокой частоты.

Известна индукторная генераторная установка, содержащая силовой индукторный генератор с обмоткой возбуждения и генератор-возбудитель постоянного тока с блоком выпрямителей, подключенный через узел регулирования выходного напряжения к упомянутой обмотке возбуждения силового индукторного генератора (см., например, свид. РФ на полезную модель 8534, кл. Н 02 К 17/00 по заявке 97117766/20 от 28.10.97).

Недостатком известной индукторной генераторной установки является значительная трудоемкость проведения электросварочных работ дуговой сваркой плавящимся электродом, обусловленная нелинейными искажениями сварочного тока при переходных процессах, возникающих, например, в момент возбуждения электрической дуги, при коротких замыканиях дугового промежутка, при обрывах электрической дуги за счет случайных колебаний сварочного электрода за установленные параметрами сварочного процесса пределы дугового промежутка. При искажениях сварочного тока и случайных обрывах электрической дуги требуется оперативная коррекция сварочного процесса, связанная зачастую с повторным прохождением сварных швов и разбрызгиванием материала сварочного электрода в зоне проведения сварки.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является индукторная генераторная установка, содержащая силовой индукторный генератор постоянного тока с обмоткой возбуждения и блоком силовых выпрямителей и генератор-возбудитель постоянного тока с блоком выпрямителей, подключенный через узел регулирования выходного напряжения к упомянутой обмотке возбуждения силового индукторного генератора постоянного тока (см. свид. РФ на полезную модель 4091, кл. В 23 К 9/06 по заявке 96101766/20 от 30.01.96).

Недостатками известной индукторной генераторной установки также являются значительная сложность и трудоемкость проведения электросварочных работ дуговой сваркой плавящимся электродом, обусловленные нелинейными искажениями сварочного тока при переходных процессах, возникающих в момент возбуждения электрической дуги, при коротких замыканиях дугового промежутка, при обрывах электрической дуги за счет случайных отклонений сварочного электрода за пределы дугового промежутка, установленные режимом сварочного процесса.

При всех этих переходных процессах источник сварочного пульсирующего постоянного тока (силовой индукторный генератор) эксплуатируется на своей жесткой внешней характеристике, отличающейся практически неизменным значением амплитуды сварочного напряжения в широком диапазоне сварочных токов, что связано с использованием в узле регулирования выходного напряжения индукторной генераторной установки балластного сопротивления и цепочки из последовательно включенных силовых стабилитронов с соответствующим коммутирующим переключателем и обуславливает с большой степенью вероятности гашение (обрыв) электрической дуги при случайных колебаниях сварочного электрода за установленные параметрами сварочного процесса оптимальные пределы дугового промежутка.

Гашение же (обрыв) электрической дуги требует оперативного вмешательства в процесс сварки, сводящегося к повторному возбуждению дуги через замыкание дугового промежутка и, следовательно, к паразитному разбрызгиванию расплавленного металла сварочного электрода. Кроме того, в момент обрыва дуги (ее гашения) за счет снижения пульсирующего сварочного тока в удлиненном дуговом промежутке на режиме максимальной мощности дуги ниже критического процесс переноса электродного металла переходит со струйного на капельный, что также приводит к разбрызгиванию расплавленного металла сварочного электрода и обуславливает зачастую повторное прохождение сварных швов на участках обрывов дуги для обеспечения надлежащего их качества.

Целью настоящего изобретения является снижение трудоемкости проведения индукторной генераторной установкой сварочных работ пульсирующей дуговой сваркой плавящимся электродом.

Поставленная цель достигается тем, что индукторная генераторная установка, содержащая силовой индукторный генератор постоянного тока с обмоткой возбуждения и блоком силовых выпрямителей и генератор-возбудитель постоянного тока с блоком выпрямителей, подключенный через узел регулирования выходного напряжения к упомянутой обмотке возбуждения силового индукторного генератора постоянного тока, в ней узел регулирования выходного напряжения включает датчик сварочного тока, датчик сварочного напряжения, пороговое устройство по току, формирователь опорного напряжения, компаратор напряжения, широтно-импульсный модулятор и импульсный стабилизатор напряжения, при этом датчик сварочного тока и датчик сварочного напряжения подключены к выходу блока силовых выпрямителей силового индукторного генератора постоянного тока, выход датчика сварочного тока подключен через указанное пороговое устройство по току к блокирующему входу компаратора напряжения, управляющие входы которого подключены к выходу датчика сварочного напряжения и через формирователь опорного напряжения к выходу блока выпрямителей генератора-возбудителя постоянного тока, выход компаратора напряжения подключен через упомянутый широтно-импульсный модулятор к управляющему входу импульсного стабилизатора напряжения, а выход блока выпрямителей генератора-возбудителя постоянного тока дополнительно подключен через импульсный стабилизатор напряжения к обмотке возбуждения силового индукторного генератора постоянного тока.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена электрическая блок-схема индукторной генераторной установки;

на фиг.2 - внешняя нагрузочная (вольтамперная) характеристика источника питания (индукторной генераторной установки) при проведении сварочного процесса.

Индукторная генераторная установка содержит силовой индукторный генератор постоянного тока, состоящий из силового индукторного генератора 1 переменного тока (например, трехфазного) с обмоткой 2 возбуждения и блоком 3 силовых выпрямителей (например, трехфазным), и генератор-возбудитель постоянного тока, состоящий из генератора возбудителя 4 переменного тока (например, трехфазного на постоянных магнитах) с блоком 5 выпрямителей (например, трехфазным). Генератор-возбудитель 4 переменного тока подключен через блок 5 выпрямителей и узел регулирования выходного напряжения к упомянутой обмотке 2 возбуждения постоянного тока. Узел регулирования выходного напряжения, снимаемого с силовых разъемов индукторной генераторной установки, включает датчик 6 сварочного тока (например, шунтовый), датчик 7 сварочного напряжения (например, делитель напряжения), пороговое устройство 8 по току, формирователь 9 опорного напряжения, компаратор 10 напряжения, широтно-импульсный модулятор 11 и импульсный стабилизатор 12 напряжения.

Датчик 6 сварочного тока и датчик 7 сварочного напряжения подключены к выходу блока 3 силовых выпрямителей силового индукторного генератора постоянного тока, выход датчика 6 сварочного тока подключен через указанное пороговое устройство 8 по току к блокирующему входу компаратора 10 напряжения, управляющие входы которого подключены к выходу датчика 7 сварочного напряжения и через формирователь 9 опорного напряжения к выходу блока 5 выпрямителей генератора-возбудителя постоянного тока. Выход компаратора 10 напряжения подключен через широтно-импульсный модулятор 11 к управляющему входу импульсного стабилизатора 12 напряжения. Выход блока 5 выпрямителей генератора-возбудителя постоянного тока дополнительно подключен через импульсный стабилизатор 12 напряжения к обмотке 2 возбуждения силового индукторного генератора постоянного тока.

Индукторная генераторная установка работает следующим образом. От привода, например, от двигателя внутреннего сгорания (на чертеже не показано) приводятся во вращение роторы силового индукторного генератора 1 переменного тока и генератора-возбудителя 4 переменного тока на постоянных магнитах (роторы этих генераторов преимущественно смонтированы на одном валу). Переменный электрический ток (например, трехфазный), вырабатываемый генератором-возбудителем 4, выпрямляется блоком 5 выпрямителей (например, трехфазным), и далее постоянный ток возбуждения подается по соответствующим электрическим цепям через формирователь 9 опорного напряжения к управляющему входу компаратора 10 напряжения и через импульсный стабилизатор 12 напряжения в обмотку 2 возбуждения постоянного тока силового индукторного генератора 1 переменного тока (например, трехфазного).

Переменный ток (например, трехфазный), вырабатываемый силовым индукторным генератором 1 переменного тока, выпрямляется блоком 3 силовых выпрямителей (например, трехфазным), и далее пульсирующий постоянный ток (модулированный по амплитуде с высокой частотой) подается соответствующими электрическими цепями через датчик 6 сварочного тока (например, шунтового типа) на силовые разъемы выходного напряжения, а также подается через датчик 7 сварочного напряжения (например, делитель напряжения) на другой управляющий вход компаратора 10 напряжения, и дополнительно подается через датчик 6 сварочного тока и пороговое устройство 8 по току к блокирующему входу компаратора 10 напряжения.

В компараторе 10 напряжения (блоке сравнения) осуществляется сравнение опорного напряжения, полученного формирователем 9 опорного напряжения через блок 5 выпрямителей генератора-возбудителя постоянного тока, с напряжением, подаваемым на него от датчика 7 сварочного напряжения. Сигнал рассогласования этих напряжений подается с выхода компаратора 10 напряжения на широтно-импульсный модулятор 11, а с выхода последнего периодический импульсный высокочастотный сигнал (с тактовой частотой порядка 10-15 кГц) с изменяемой величиной скважности (промодулированной величиной рассогласования между собой указанных опорного напряжения и выходного сварочного напряжения) подается на управляющий вход импульсного стабилизатора 12 напряжения, имеющего в своем составе быстродействующие коммутаторы (преимущественно транзисторные ключи), работающие в ключевом режиме и изменяющие коэффициент заполнения импульсного напряжения таким образом, чтобы скомпенсировать соответствующую разность опорного и сварочного напряжений.

Периодический импульсный ток возбуждения с выхода импульсного стабилизатора 12 напряжения подается в обмотку 2 возбуждения постоянного тока силового индукторного генератора 1 переменного тока, и поскольку напряжение на обмотке 2 возбуждения стабилизировано, то стабилизированным становится и выходное напряжение на силовых разъемах индукторной генераторной установки в широком диапазоне токов нагрузки (сварочных токов). В начальный момент перед возбуждением электрической дуги между плавящимся электродом и металлом в зоне сварки на выходе датчика 6 сварочного тока отсутствует управляющий сигнал, пороговое устройство 8 находится в выключенном состоянии и в выключенном состоянии находится компаратор 10 напряжения, поскольку на его блокирующем входе отсутствует управляющий сигнал с выхода порогового устройства 8 по току. Поскольку компаратор 10 напряжения в этот момент времени находится в выключенном состоянии, то в выключенном состоянии находится широтно-импульсный модулятор 11, при этом отсутствует стабилизация напряжения на обмотке 2 возбуждения постоянного тока силового индукторного генератора 1.

Напряжение на обмотке 2 возбуждения в этот момент времени (перед возбуждением дуги) устанавливается (на определенном уровне) существенно выше, чем стабилизированное напряжение на этой же обмотке 2 возбуждения при включенном широтно-импульсном модуляторе 11. Поэтому в начальный момент времени (перед возбуждением электрической дуги) напряжение U1 (см. фиг.2) на выходе индукторной генераторной установки (на ее силовых разъемах) существенно превышает среднее напряжение U_св. (см. фиг.2) на том же выходе при включенном широтно-импульсном модуляторе 11. Стабилизация выходного напряжения индукторной генераторной установки в этот момент времени (перед возбуждением электрической дуги) не осуществляется, и внешняя характеристика источника электрического питания дуги становится полого падающей (см. фиг.2, начальный участок вольтамперной характеристики индукторной генераторной установки). За счет повышенного напряжения (значение - U1, см. фиг.2) на выходе индукторной генераторной установки в этот момент времени существенно облегчается процесс возбуждения пульсирующей электрической дуги (дуга возбуждается на минимальной мощности источника питания, на полого падающей внешней характеристике последнего), и облегчается переход к стабильному горению дуги без ее обрывов и со значительным снижением паразитного разбрызгивания расплавленного металла сварочного электрода (поскольку в начальный момент времени при возбужденной дуге практически отсутствует перенос электродного металла).

Как только после возбуждения электрической дуги амплитуда сигнала с выхода датчика сварочного тока превысит установленный минимальный уровень в пороговом устройстве 8, (на уровне 50-100 А сварочного тока - I пороговый включения режима сварки, см. фиг.2), последнее срабатывает (открывается), и с его выхода поступает управляющий сигнал на блокирующий вход компаратора 10 напряжения, который включается в работу, при этом компаратором 10 напряжения осуществляется сравнение опорного и сварочного напряжений, поступающих на управляющие входы компаратора 10 напряжения соответственно от выхода блока 5 выпрямителя генератора-возбудителя через формирователь 9 опорного напряжения и от выхода датчика 7 сварочного напряжения. Сигнал рассогласования величины указанных опорного и сварочного напряжений с выхода компаратора 10 напряжения поступает на вход широтно-импульсного модулятора 11, а с выхода последнего периодический импульсный сигнал с крутыми фронтами, величина скважности которого промодулирована величиной рассогласования упомянутых опорного и сварочного напряжений, поступает на управляющий вход импульсного стабилизатора 12 напряжения, осуществляющего стабилизацию напряжения на обмотке 2 возбуждения постоянного тока силового индукторного генератора 1.

Далее процесс стабилизации выходного напряжения на силовых разъемах индукторной генераторной установки осуществляется согласно описанному выше. После возбуждения электрической дуги и стабилизации ее горения внешняя характеристика источника питания дуги (индукторной генераторной установки) становится жесткой (см. фиг.2, практически прямолинейный участок вольтамперной характеристики), при этом напряжение питания (U_св., см. фиг.2) электрической дуги практически постоянно в широком диапазоне сварочных токов. В этом режиме (на участке жесткой внешней характеристики источника питания) осуществляется непосредственно сварочный процесс пульсирующим сварочным током, при котором процесс переноса электродного металла на сварной участок становится струйным, обеспечивающим высокое качество сварных швов.

В случае внезапного обрыва (гашения) электрической дуги при случайных колебаниях сварочного электрода за пределы установленного параметрами сварочного процесса оптимального дугового промежутка, на выходе индукторной генераторной установки во внешней ее цепи будет отсутствовать сварочный ток. При этом будет отсутствовать выходной сигнал с датчика 6 сварочного тока, пороговое устройство 8 по току запирается, блокируется поступление управляющего сигнала на блокирующий вход компаратора 10 напряжения (на его блокирующем входе будет отсутствовать сигнал разрешения включения рабочего режима), компаратор 10 напряжения далее выключается из режима сравнения упомянутых выше напряжений, выключается из рабочего режима широтно-импульсный модулятор 11, далее выключается из рабочего режима импульсный стабилизатор 12 напряжения. Стабилизация напряжения возбуждения на обмотке 2 возбуждения постоянного тока силового индукторного генератора 1 в этот момент времени не осуществляется, на обмотку 2 возбуждения поступает значительно повышенное напряжение питание (по сравнению со средним стабилизированный напряжением ее питания) от блока 5 выпрямителей генератора возбудителя через импульсный стабилизатор 12 напряжения (через открытые его в этот момент быстродействующие коммутаторы). Вследствие установившегося значительно повышенного напряжения на обмотке 2 возбуждения силового индукторного генератора 1 резко возрастает величина тока в обмотке 2 возбуждения, что приводит к резкому возрастанию напряжения на выходе индукторной генераторной установки, обуславливающему последующее легкое возбуждение электрической дуги через замыкание дугового промежутка (см. фиг.2, полого падающий участок внешней характеристики источника питания).

Далее после повторного возбуждения электрической дуги и стабилизации ее горения процесс стабилизации напряжения на выводе индукторной генераторной установки повторяется согласно изложенному выше, при этом источник питания дуги (индукторная генераторная установка) работает на своей внешней жесткой характеристике (см. фиг.2, практически прямолинейный участок вольтамперной характеристики), отличающейся практически одинаковым напряжением (U_св., см. фиг.2) питания дуги при широком диапазоне сварочных токов.

Наличие в узле регулирования выходного напряжения предложенной индукторной генераторной установки датчика 6 сварочного тока, датчика 7 сварочного напряжения, порогового устройства 8 по току, формирователя 9 опорного напряжения, компаратора 10 напряжения, широтно-импульсного модулятора 11 и импульсного стабилизатора 12 напряжения, из которых датчик 6 сварочного тока и датчик 7 сварочного напряжения подключены к выходу блока 3 силовых выпрямителей силового индукторного генератора 1, выход датчика сварочного тока подключен через указанное пороговое устройство 8 по току к блокирующему входу компаратора 10 напряжения, управляющие входы которого подключены к выходу датчика 7 сварочного напряжения и через формирователь 9 опорного напряжения к блоку 5 выпрямителей генератора-возбудителя 4, при этом выход компаратора 10 напряжения подключен через упомянутый широтно-импульсный модулятор 11 к импульсному стабилизатору 12 напряжения, а выход блока 5 выпрямителей генератора-возбудителя 4 дополнительно подключен через импульсный стабилизатор 12 напряжения к обмотке 2 возбуждения силового индукторного генератора 1, - позволяет снизить трудоемкость проведения индукторной генераторной установкой сварочных работ пульсирующей дуговой сваркой плавящимся электродом.

Снижение трудоемкости проведения сварочных работ дуговой сваркой обуславливается при этом автоматическим изменением внешней характеристики источника питания (индукторной, генераторной установки) электрической дуги. Вместо постоянной внешней жесткой характеристики источника питания (характерной для прототипа), при которой во время проведения сварочных работ дуговой сваркой значительны нелинейные искажения сварочного тока при переходных процессах, возникающих в момент возбуждения электрической дуги, коротких замыканиях дугового промежутка, обрывах электрической дуги за счет случайных отклонений сварочного электрода за пределы дугового промежутка, установленные режимом проведения сварочного процесса, и приводящие к: гашению (обрыву) электрической дуги, повторному возбуждению дуги через замыкание дугового промежутка и, следовательно, к разбрызгиванию расплавленного металла сварочного электрода (дуга в этот момент горит на режиме максимальной мощности), к повторному прохождению сварных швов, в заявленной индукторной генераторной установке внешняя характеристика ее, как источника питания дуги, (вольтамперная характеристика) на начальном участке (в момент возбуждения дуги) имеет полого падающий вид (тангенс угла наклона начального участка кривой внешней характеристики к оси сварочного тока I имеет отрицательное значение - см. фиг.2).

Наличие полого падающего начального участка внешней характеристики позволяет облегчить возбуждение электрической дуги перед проведением сварочных работ (за счет значительно повышенного напряжения U1 питания дуги в начальный момент перед ее возбуждением), уменьшить паразитное разбрызгивание расплавленного металла сварочного электрода (дуга в момент ее возбуждения горит на режиме минимальной мощности), уменьшить нелинейные искажения сварочного тока при переходных процессах, возникающих в момент возбуждения дуги, при коротких замыканиях дугового промежутка, при обрывах электрической дуги за счет случайных отклонений сварочного электрода за пределы дугового промежутка, установленные режимом сварочного процесса.

Наличие за полого падающим участком внешней характеристики источника питания (индукторной генераторной установки) участка с жесткой внешней характеристикой (линия этого участка жесткой характеристики практически параллельна оси сварочного тока I, см. фиг.2) позволяет после возбуждения дуги обеспечить ее стабильное горение и обуславливает выполнение сварочных работ с высоким качеством сварных швов (на этом участке жесткой внешней характеристики осуществляется струйный процесс переноса электродного металла).

Вероятность обрыва дуги при случайных колебаниях сварочного электрода за пределы дугового промежутка, установленные режимом проведения сварочного процесса, в заявленной индукторной генераторной установке значительно уменьшается, поскольку при удлинении дугового промежутка за пределы оптимального существенно возрастает сопротивление этого дугового промежутка, что приводит к падению сварочного тока во внешней цепи и к переключению режима работы источника тока (индукторной генераторной установки) на участок с полого падающей внешней характеристикой, характеризующийся повышенным напряжением U1 питания дуги с минимальной ее мощностью (на этом участке внешней характеристики облегчается формирование слаботочной дуги). В случае же обрыва дуги облегчается процесс ее повторного возбуждения за счет значительно более высокого напряжения U1 на выходе источника питания (индукторной генераторной установки) на момент замыкания дугового промежутка, и обеспечивается с минимальными искажениями сварочного тока переход дуги на режим стабильного горения со значительной величиной сварочного тока (основной сварочный режим - участок внешней жесткой характеристики), а также значительно уменьшается паразитное разбрызгивание расплавленного металла сварочного электрода, и значительно уменьшается необходимость повторного прохождения сварных швов, что вместе взятое обуславливает снижение трудоемкости проведения индукторной генераторной установкой сварочных работ пульсирующей дуговой сваркой плавящимся электродом.

Кроме того, предложенная индукторная генераторная установка позволяет значительно сократить время проведения сварочных работ дуговой сваркой за счет уменьшения количества повторных возбуждений электрической дуги, а также позволяет сократить ее эксплуатационные расходы за счет снижения расхода потребляемой электроэнергии, обуславливающего в свою очередь снижение расхода энергии (например, топлива) для приводящего ее в действие двигателя (например, двигателя внутреннего сгорания).