источник питания для электродуговой сварки

Формула изобретения

Источник питания для электродуговой сварки, содержащий согласующий трансформатор, имеющий первичную обмотку, подключенную к питающей сети и вторичную силовую обмотку, выпрямитель, сглаживающий дроссель, одним выводом подключенный к выходу положительной полярности выпрямителя, а другим к выходу устройства, датчик тока, вырабатывающий сигнал, пропорциональный выходному току, одним выводом соединенный с выходом устройства, а другим выводом - с выходом отрицательной полярности выпрямителя, датчик напряжения, вырабатывающий сигнал, пропорциональный выходному напряжению устройства, задатчик тока и напряжения, усилитель рассогласования тока и напряжения, неинвертирующий вход которого соединен с датчиками тока и напряжения, а инвертирующий вход с задатчиком тока и напряжения, отличающийся тем, что первичная обмотка согласующего трансформатора подключена к питающей сети через симистор, выводы вторичной обмотки подключены ко входу неуправляемого выпрямителя, генератор тактовых импульсов содержит логический элемент "Исключающее ИЛИ", первый вход которого подключен к делителю сетевого напряжения, а второй вход - к делителю суммы сетевого напряжения и напряжения источника питания элемента "Исключающее ИЛИ", выход генератора тактовых импульсов соединен с входом синхронизации схемы импульсно-фазового управления, а ее управляющий вход через оптронную развязку соединен с выходом усилителя рассогласования тока и напряжения, который соединен с датчиком тока или напряжения через переключатель.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам питания, и может быть использовано преимущественно в однофазных и трехфазных сварочных полуавтоматах и аппаратах механизированной сварки плавящимся электродом, электрогальванике, для заряда аккумуляторных батарей и в других случаях, когда требуется мощный источник стабилизированного тока или напряжения.

Известен источник сварочного тока, содержащий силовой трансформатор, двухполупериодный выпрямитель, дроссель, коммутирующие элементы в виде бесконтактных двухсторонних коммутирующих управляемых ключей и систему импульсно-фазового управления (СИФУ) (RU, №2131338, С, 6 В 23 К 9/00, опубл. 10.06.1999) [1]. С целью снижения массогабаритных показателей обмотки силового трансформатора через управляемые двусторонние ключи подключены по схеме треугольника к фазам трехфазной питающей сети. Недостатком описанного источника сварочного тока является отсутствие системы стабилизации режима сварки.

Известно также устройство для сварки с использованием антипараллельных тиристоров в цепи первичной обмотки сварочного трансформатора и схему управления тиристорами. Параллельно вторичной обмотке трансформатора подключен конденсатор для сокращения потерь холостого хода путем снижения напряжения, подводимого к сварочному трансформатору (RU, №2032506, 6 В 23 К 9/00, опубл. 10.04.1995) [2]. Недостатком устройства является осуществление режима сварки переменным током, отсутствие стабилизации режима сварки и использование тиристоров в цепи его первичной обмотки, что повышает себестоимость устройства.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по схемному выполнению, назначению и достигаемому техническому результату является источник для сварки, пуска двигателей и заряда аккумуляторных батарей (RU, №2035108, С, 6 H 02 J 7/10, Н 02 М 7/12, опубл. 10.05.1995) [3], принимаемый за прототип и выпускаемый серийно промышленностью, в котором реализован режим сварки стабилизированным постоянным током с автоматическим токоограничением.

Устройство-прототип согласно электрической схеме из описания [3] содержит:

- согласующий трансформатор 1 с первичной обмоткой 2, соединенной с выводами 3, 4 для подключения сети, одна вторичная обмотка 5 является силовой и выполнена на напряжение для сварочного режима, а другая вторичная обмотка 6 является управляющей (слаботочной);

- управляемый выпрямитель 7 на оптронных тиристорах;

- усилители рассогласования тока 23 и напряжения 24;

- датчики тока 8 и 9 (на зарядку и сварку соответственно); выход датчика тока 8 соединен с входом усилителя рассогласования тока 23; датчик тока 9 соединен одним выводом с выходом отрицательной полярности управляемого выпрямителя 7, общим проводом и с выходом 16 источника питания;

- сглаживающий дроссель 14 одним выводом соединен с выходом положительной полярности управляемого выпрямителя 7, а другим - с выходом 15 источника питания;

- генератор тактовых импульсов (ГТИ) 18, вход которого соединен с управляющей обмоткой 6 согласующего трансформатора 1, а выход ГТИ соединен с синхронизирующим входом 25 схемы импульсно-фазового управления (СИФУ) 19;

- двухпозиционный переключатель 10 режима работы;

- задатчик тока 20;

- задатчик напряжения 21.

При включении напряжения питающей сети ГТИ 18 преобразует переменное напряжение, поступающее на него с вторичной обмотки 6 трансформатора, в тактовые импульсы с частотой следования в два раза большей частоты сети, которые подаются на вход 25 СИФУ для синхронизации. СИФУ вырабатывает импульсы управления, подаваемые на управляемый выпрямитель 7, углы которых определяются сигналом, поступающим на управляющий вход 26 схемы и являющимся суммой сигналов на входах усилителей рассогласования тока 23 и напряжения 24. При отрицательном управляющем сигнале СИФУ импульсов управления не вырабатывает и напряжение на выходе управляемого выпрямителя равно нулю. При положительном управляющем напряжении схема вырабатывает импульсы управления, углы которых определяются значением этого сигнала и минимальны при максимальном сигнале и соответственно напряжение на выходе управляемого выпрямителя при изменении управляющего сигнала изменяется от нуля до максимального значения. В зависимости от установки задатчиков тока 20 и напряжения 21 источник работает в режиме стабилизации выходного тока или выходного напряжения.

Недостатком прототипа является использование управляемых силовых ключей на выходе трансформатора там, где ток через них может достигать 200 ампер. В результате происходят значительные потери мощности и требуется соответствующая система охлаждения, что усложняет и удорожает изготовление устройства. Кроме того, сильноточные оптронные тиристоры весьма дороги. Силовой трансформатор должен быть включен постоянно в сеть независимо от работы сварочного аппарата, при этом обычно сварочный процесс занимает, примерно, только половину всего времени. В интервалах между процессами сварки трансформатор работает в режиме холостого хода и потребляет некоторую мощность, порядка 100 Вт, выделяемую в виде тепла. Выполнение ГТИ, как правило, по стандартной схеме (см. в книге Исаков Ю.Ф., Платонов А.П. и др."0сновы промышленной электроники", изд. "Технiка", Киев, 1976, стр.417, рис.20, 9) [4], требует применения значительного числа электронных компонент (транзисторов, резисторов, конденсаторов, интегральных схем).

Техническим результатом заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно удешевление источника питания для электродуговой сварки при массовом производстве за счет упрощения электронной схемы и уменьшения потерь энергии.

Технический результат достигается тем, что в известном источнике питания для сварки, содержащем согласующий трансформатор, имеющий первичную обмотку, подключенную к питающей сети, и вторичную силовую обмотку, выпрямитель, сглаживающий дроссель, одним выводом подключенный к выходу положительной полярности выпрямителя, а другим - к выходу устройства, датчик тока, вырабатывающий сигнал, пропорциональный выходному току, одним выводом соединенный с выходом устройства, а другим выводом - с выходом отрицательной полярности выпрямителя, датчик напряжения, вырабатывающий сигнал, пропорциональный выходному напряжению устройства, задатчик тока и напряжения, усилитель рассогласования и напряжения, неинвертирующий вход которого соединен с датчиками тока и напряжения, а инвертирующий вход с задатчиком тока и напряжения, согласно изобретению первичная обмотка согласующего трансформатора подключена к питающей сети через симистор, выводы вторичной обмотки подключены ко входу неуправляемого выпрямителя, генератор тактовых импульсов содержит логический элемент "исключающее или", первый вход которого подключен к делителю сетевого напряжения, а второй вход - к делителю суммы сетевого напряжения и напряжения источника питания элемента "исключающее или", выход генератора тактовых импульсов соединен с входом синхронизации схемы импульсно-фазового управления, а ее управляющий вход через оптронную развязку соединен с выходом усилителя рассогласования тока и напряжения, который соединен с датчиком тока или напряжения через переключатель.

Использование в ГТИ логического элемента "исключающее или" позволило значительно упростить схему ГТИ, а следовательно, и всего источника питания. Включение симистора последовательно с первичной обмоткой согласующего трансформатора позволяет заменить два сильноточных оптронных тиристора (в прототипе) на один слаботочный симистор с одной цепью управления вместо двух для двух тиристоров и одновременно уменьшить потери энергии как в симисторе (против двух сильноточных тиристоров), так и в трансформаторе, если источник питания используется в сварочных полуавтоматах, в которых в режиме холостого хода согласующий трансформатор может автоматически обесточиваться и, следовательно, позволяет уменьшить массогабаритные показатели.

На фиг.1 приведена функциональная схема источника питания для электродуговой сварки. На фиг.2 - принципиальная схема генератора тактовых импульсов. На фиг.3 приведены эпюры напряжений на входе ГТИ (а) и на его выходе (б).

Источник питания для электродуговой сварки содержит:

1 - согласующий трансформатор;

2 - симистор;

3 - выпрямитель;

4 - датчик тока;

5 - сглаживающий дроссель;

6 - датчик напряжения;

7 - ГТИ;

8 - СИФУ;

9 - оптронную развязку;

10 - усилитель рассогласования тока и напряжения;

11 - переключатель режима стабилизации тока или напряжения;

12 - усилитель сигнала датчика тока;

13, 14 - резисторы цепи отрицательной обратной связи усилителя рассогласования 10;

15 - задатчик тока и напряжения;

16, 17 - резисторы цепи отрицательной обратной связи усилителя 12 сигнала датчика тока;

18 - логический элемент "исключающее или";

19, 20, 21, 22 - резисторы делителей напряжения на входе схемы "исключающее или";

23 - источник питания ГТИ и СИФУ;

24 - включатель режима сварки.

Согласующий трансформатор имеет первичную обмотку, соединенную выводами I, II для подключения сети, причем вывод II подключен к сети через симистор 2.

Выводы III, IV вторичной обмотки трансформатора 1 подключены ко входу неуправляемого выпрямителя 3, выход отрицательной полярности которого подсоединен к общему проводу и через датчик тока 4 к первому выходу устройства. Выход положительной полярности неуправляемого выпрямителя 3 через дроссель 5 соединен со вторым выходом устройства и датчиком напряжения 6.

Датчик напряжения содержит резисторы R1 и R2, соединенные последовательно и подключенные к выходу II устройства с одной стороны и к общему проводу - с другой стороны, а точка их соединения подключена к переключателю 11 режима стабилизации тока или напряжения.

Вход ГТИ 7 подключен к входу сетевого напряжения, а выход соединен с синхронизирующим входом СИФУ 8.

Управляющий (II) вход СИФУ 8 через оптронную развязку 9 подключен в выходу усилителя рассогласования тока и напряжения 10. Выход СИФУ 8 соединен с управляющим входом симистора 2.

Неинвертирующий вход усилителя рассогласования 10 через переключатель 11 режима стабилизации тока или напряжения соединен с датчиком напряжения 6 в одном положении и через усилитель 12 с датчиком тока 4 - в другом. Инвертирующий вход усилителя рассогласования тока и напряжения 10 подключен через резистор 13 с его выходом и через резистор 14 с задатчиком тока и напряжения 15.

Задатчик тока или напряжения 15 (потенциометр) подключен своими входами к источнику питающего напряжения Uп (фиг.1) усилителя рассогласования тока и напряжения 10, а выход его через резистор 14 соединен с инвертирующим входом усилителя рассогласования 10.

В схеме ГТИ первый вход логического элемента "исключающее или" через резистор 19 соединен с первой клеммой питающей сети и через резистор 20 со второй клеммой. Второй вход элемента "исключающее или" соединен через резистор 21 с первой клеммой питающей сети и через резистор 22 с источником питания 23 элемента "исключающее или" 18, другой провод которого подключен к другому выводу источника питания 23 и второй клемме питающей сети.

Источник питания для электродуговой сварки работает следующим образом. Часть сетевого напряжения, снимаемого с резисторов 19, 20, 21, 22, соединенных по схеме делителей напряжения (фиг.2), подается на два входа логического элемента "исключающее или". Полученные тактовые импульсы поступают на вход синхронизации СИФУ 8, выполненной по стандартной схеме широтно-импульсного модулятора, на второй управляющий вход СИФУ поступает сигнал через оптронную развязку 9 от усилителя рассогласования тока и напряжения 10. С выхода СИФУ подается сигнал на управляющий вход симистора 2. На неинвертирующий вход усилителя рассогласования 10 подается через переключатель 11 сигнал с датчика напряжения 6 или с датчика тока 4, усиленный усилителем 12. С потенциометра 15 снимается сигнал сравнения, определяющий величину стабилизированного напряжения или тока, которые контролируются вольтметром или амперметром. Этот сигнал подается на инвертирующий вход усилителя рассогласования 10 через резистор 14, на который с выхода усилителя 10 через резистор 13 подается сигнал отрицательной обратной связи. Цепь отрицательной обратной связи, образованная резисторами 16, 17, определяет необходимый коэффициент усиления усилителя 12 сигнала датчика тока 4. Со вторичной обмотки согласующего трансформатора 1 напряжение подается на вход неуправляемого выпрямителя 3, с выхода которого сварочный ток через дроссель 5 и датчик тока 4 подается на дуговой промежуток I, II сварочного аппарата.

Источник питания обеспечивает стабилизированное напряжение или ток за счет использования в первичной обмотке управляемого силового ключа, выполненного на симисторе, и СИФУ симистором от усилителя рассогласования тока и напряжения. Использование в ГТИ логического элемента "исключающее или" позволило решить задачу получения необходимых для работы СИФУ импульсов синхронизации исключительно простым способом по сравнению с другими известными методами, например, описанным в прототипе. Использование симистора, а не тиристоров значительно упростило схему СИФУ, так как потребовался один выход, а не два. Уменьшились потери энергии в управляемых ключах за счет использования симистора в первичной обмотке трансформатора, где протекает ток в несколько раз меньше, чем во вторичной обмотке. При использовании источника питания в сварочном полуавтомате согласующий трансформатор в интервалах между процессами сварки обесточивается и исключаются потери энергии в трансформаторе в режиме холостого хода. Все это позволяет значительно уменьшить массогабаритные показатели и удешевить устройство. В связи с тем, что один слаботочный симистор стоит во много раз дешевле двух сильноточных оптронных тиристоров, значительно уменьшается себестоимость изготовления устройства.

Источники информации

1. RU, №2131338, С, 6 В 23 К 9/00, опубл. 10.06.1999.

2. RU, №20325066 6 В 23 К 9/00, опубл. 10.04.1995.

3. RU, №2035108, C, 6 H 02 J 7/10, H 02 M 7/12, опубл. 10.05.1995 - прототип.

4. Исаков Ю.Ф., Платонов А.П. и др."Основы промышленной электроники", изд. "Технiка", Киев, 1976, стр.417, рис.20, 9.