PL208241B1 - Generator do spawarki łukowej o dużym współczynniku mocy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy generatora stosowanego w elektrycznej spawarce łukowej, dokładniej obecny wynalazek dotyczy generatora, który przetwarza jedno- lub trójfazowy prąd zasilania przemienny na prąd stały, który jest sterowany i dostosowywany do łuku spawalniczego.

Problemy, które powstają w generatorach dla spawarek łukowych, są związane głównie z małym współczynnikiem mocy prądu pobieranego z zasilacza mocy.

Dodatkowo innym czynnikiem, który ma ujemny wpływ na wydajność spawarki łukowej, zapewnionej zgodnie ze znanymi układami i sposobami, jest niemożliwa do przewidzenia zmiana napięcia zasilania.

W odniesieniu do stanu techniki na drodze przykładu, klasyczny, stosowany szeroko układ spawarki elektrycznej jest pokazany na Pos. I.

Układ ten zawiera, po stronie sieci zasilającej, pierwszy stopień prostowniczy 1 utworzony tylko przez diody, po którym następuje zespół kondensatorów wyrównawczych 2.

Prąd tak wyprostowany i wyrównany zasila blok inwertora 3 utworzonego za pomocą przełączników elektronicznych wielkiej częstotliwości, który zasila uzwojenie pierwotne transformatora 4.

Po uzwojeniu wtórnym transformatora 4 następuje drugi stopień prostowniczy 5.

Prąd na wyjściu drugiego stopnia prostowniczego 5 jest wyrównywany przez cewkę indukcyjną 6 i zasila łuk spawalniczy 7.

Generator tego rodzaju podczas pracy pobiera z sieci zasilającej prąd, który ma przebieg typu pokazanego na Pos. II.

Jest bezpośrednio widoczne, że przebieg tego typu ma dużą zawartość harmonicznych i to powoduje mały współczynnik mocy.

W tej sytuacji, aby mieć wysoki poziom mocy użytecznej w łuku, konieczne jest pobieranie dużej wartości RMS z sieci zasilającej.

To powoduje bardzo niekorzystny wpływ na sieć zasilającą, ponieważ duża zawartość harmonicznych i duża wartość RMS pobieranego prądu powodują wzrost ogrzewania przewodów zasilających i znaczne zakłócenia przebiegu napięcia linii zasilania, co z kolei powoduje zwiększenie strat w rdzeniach ferromagnetycznych dołączonych transformatorów.

Dodatkowo zniekształcenie przebiegu wprowadza znaczny szum w linii.

Ponadto, gdy generatory spawalnicze mają ograniczoną moc, jak ma to miejsce w przypadku przeznaczonych do zasilania przez domowe systemy użytkowe, duże natężenie pobieranego prądu RMS powoduje interwencję zabezpieczenia cieplnego systemu użytkowego, nawet chociaż moc dostarczana do łuku spawalniczego jest mniejsza niż dla równoważnego obciążenia rezystancyjnego.

Poza tym, jak już wzmiankowano, generator z układem typu pokazanego na Pos. I nieuchronnie podlega oddziaływaniu zmian napięcia zasilania wejściowego i to znacznie zmniejsza wydajność wymienionego generatora.

Wobec tych problemów wymyślono generatory spawalnicze, które mają dodatkowe stopnie umożliwiające pobór prądu zasilającego, mającego przebieg sinusoidalny na tyle, na ile jest to możliwe, tj. czyni generator równoważnym obciążeniu rezystancyjnemu, żeby umożliwić użycie całej mocy czynnej dostępnej dla użytkownika.

Dostosowano także dodatkowe stopnie, które mają zadanie automatycznego dostosowania generatora do zmian napięcia zasilającego, zapewniając dobrą i stabilną wydajność generatora.

Generatory z układami tego typu mogą być typu pokazanego schematycznie na Pos. III.

Ten układ pokazuje jasno, że względem schematu na Pos. I, następuje dodanie stopnia 8, który jest wstawiony między blok prostowniczy 1 i blok wyrównawczy 2.

Ten stopień, nazwany PFC, może być zapewniony w różny sposób.

Generatory tego typu są w każdym przypadku drogie i skomplikowane oraz czasami krytyczne przy wyborze elementów, które muszą wytrzymać wysokie napięcia.

Celem obecnego wynalazku jest zapewnienie generatora spawania łukowego, który pobiera z sieci zasilającej prąd o dużym współczynniku mocy.

W tym celu przedmiotem wynalazku jest zapewnienie generatora spawania łukowego, który nie jest czuły na zmiany napięcia zasilania pobieranego z sieci zasilającej.

Innym przedmiotem jest zapewnienie zespołu układowego, w którym jest możliwe użycie elementów, które mają niski koszt i dużą wydajność.

PL 208 241 B1

Ten cel oraz te i inne przedmioty, które staną się dalej bardziej widoczne, są osiągane przez generator dla spawarki łukowej typu złożonego ze stopnia prostowniczego zasilanego przez sieć zasilającą, po którym następuje stopień PFC i stopień inwertora, oba typu wielkiej częstotliwości, ten ostatni zasilający stopień wyjściowy dla dostarczania mocy do łuku spawalniczego, charakteryzuje się tym, że:

wymieniony stopień PFC jest złożony z: dwóch cewek indukcyjnych, które są sprzężone wzajemnie magnetycznie i są umieszczone szeregowo na wyjściu stopnia prostowniczego; dwóch pierwszych sterownych przełączników wielkiej częstotliwości, które są włączone między wspólny węzeł i dwa węzły odpowiednio na wyjściach dwóch cewek indukcyjnych; dwóch diod o przeciwnych kierunkach przewodzenia, które są odpowiednio dołączone do węzłów między przełącznikami i wzajemnymi cewkami indukcyjnymi; dwóch kondensatorów wyrównawczych, które są dołączone do węzłów wyjściowych wymienionych diod i wspólnego z wymienionych pierwszych przełączników; ponadto są zapewnione elementy do sterowania kolejnością włączania i wyłączania wymienionych dwóch pierwszych przełączników, tak żeby kształtować prąd pobierany przez stopień prostowniczy, korelując go z przebiegiem napię cia linii;

wymieniony stopień inwertora, zasilany między wspólnym z wymienionych pierwszych przełączników wielkiej częstotliwości i wspólnym węzłem między wymienionymi kondensatorami, zawiera cztery triady, każda złożona z drugiego sterowanego przełącznika, diody i kondensatora, połączonych tak, żeby tworzyć pięć węzłów, odpowiednio węzeł środkowy, dwa węzły pośrednie i dwa węzły zewnętrzne, a wymienione węzły zewnętrzne są dołączone do węzłów między wymienionymi pierwszymi przełącznikami i poszczególnymi diodami, wymienione węzły pośrednie są dołączone do wspólnego z wymienionych dwóch pierwszych przełączników elektrycznych ze wstawieniem odpowiednio diody, a kondensator jest włączony między wymienione węzły pośrednie, ponadto jest zapewniony przyrząd sterujący dla czterech drugich przełączników, a prąd dla stopnia wyjściowego, który zasila łuk spawalniczy, jest pobierany między wspólnym z dwóch pierwszych przełączników i węzłem środkowym wymienionych czterech triad drugich sterowanych przełączników, diod i kondensatorów.

Dalsze cechy i zalety wynalazku staną się bardziej widoczne na podstawie następującego szczegółowego opisu korzystnego przykładu wykonania, przedstawionego na drodze nieograniczającego przykładu na załączonych rysunkach, gdzie:

Pos. I, II, III i IV są widokami znanych przyrządów i ich wykresów roboczych,

Figura 1 jest schematem czterostopniowego generatora według wynalazku, ilustrującym w szczególności jego połączenia,

Figura 2 jest szczegółowym schematem stopnia PFC,

Figura 3 jest szczegółowym schematem stopnia inwertora.

W odniesieniu do figur, generator wedł ug wynalazku moż e być idealnie podzielony na cztery stopnie, które są odpowiednio oznaczone przez numer odniesienia 100 dla stopnia zasilania mocy sieci zasilającej, przez numer odniesienia 200 dla stopnia PFC, przez numer odniesienia 300 dla stopnia inwertora i przez numer odniesienia 400 dla stopnia wyjściowego i zasilania łuku.

Stopień zasilania mocy 100 sieci zasilającej jest złożony z konwencjonalnego bloku prostowniczego z diodami 101, które są zasilane przez sieć zasilającą 102 i mogą być jednofazowe lub trójfazowe.

Dwa przewody wyjściowe, oznaczone odpowiednio przez numery odniesienia 103 i 104, wyprowadzają ze stopnia 101 i dochodzą do stopnia PFC 200 w dwóch przewodach wejściowych 201 u 202.

Dwie cewki indukcyjne 203 i 204 są odpowiednio dołączone do wejść 201 i 202 i są sprzężone wzajemnie magnetycznie.

Wyjścia dwóch cewek indukcyjnych 203 i 204, oznaczone odpowiednio przez numery odniesienia 205 i 206, są dołączone odpowiednio do pierwszego węzła 207 i do drugiego węzła 207.

Pierwsza końcówka pierwszego sterowanego przełącznika 209 jest dołączona do węzła 207 i pierwsza końcówka drugiego sterowanego przełącznika 210 jest dołączona do węzła 208.

Druga końcówka pierwszego sterowanego przełącznika 209 i druga końcówka drugiego sterowanego przełącznika 210 są dołączone do wspólnego węzła 211.

Pierwsza końcówka pierwszej diody 212 jest dołączona do węzła 207 i pierwsza końcówka drugiej diody 213 jest dołączona do węzła 208, a te dwie diody mają przeciwne kierunki przewodzenia.

Druga końcówka pierwszej diody 212 jest dołączona do węzła 214 i druga końcówka drugiej diody 213 jest dołączona do węzła 215.

Pierwsza końcówka pierwszego kondensatora wyrównawczego 216 jest dołączona do węzła 214 i pierwsza końcówka drugiego kondensatora wyrównawczego 217 jest dołączona do węzła 215.

PL 208 241 B1

Dwa kondensatory 216 i 217 są umieszczone tak, żeby mieć wzajemnie przeciwne biegunowości, a ich drugie końcówki są dołączone do węzła 218, który jest dołączony do węzła 211.

Stopień PFC 200 ma trzy przewody wyjściowe, odpowiednio przewód 219 dołączony do węzła 214, przewód 220 dołączony do węzła 215 i przewód 221 dołączony do węzła 218.

Stopień PFC 200 ma przyrząd sterujący 222, który steruje włączaniem i wyłączaniem przełączników 209 i 210, które są typu sterowanego przy 1 wielkiej częstotliwości (IGBT lub MOSFET).

Urządzenie 222 pobiera sygnał napięciowy Vin z wejścia 201 za pomocą połączenia 223, sygnał prądowy lin z przewodu 205 za pomocą połączenia 224, sygnał napięciowy Vc-_ z węzła 214 lub z kondensatora 216 za pomocą połączenia 225 i sygnał napięciowy Vc₂ z węzła 215 lub z kondensatora 217 za pomocą połączenia 226.

Na figurze połączenia 227 i 228 oznaczają sterowanie przełącznikami 209 i 210.

Za pomocą właściwego sterowania kolejnością włączania i wyłączania dwóch przełączników 209 i 210, przyrząd sterujący 222 steruje prądem pobieranym przez stopień 100 wyprostowanego zasilania, kształtując go tak, żeby nadążać za przebiegiem linii napięciowej, otrzymanym z sygnału Vin tak, żeby mieć bardzo małe zniekształcenia, a zatem bardzo duży współczynnik mocy.

Przez zamknięcie przełączników 209 i 210, prąd w cewkach indukcyjnych 203 i 204 wzrasta z nachyleniem, które jest równe:

Vin/(L1 + L2 + M12) gdzie M12 jest współczynnikiem, który uwzględnia sprzężenia dwóch cewek indukcyjnych, podczas gdy diody 212 i 213 są wyłączone, L₁, L₂ odpowiadają kolejno cewkom indukcyjnym 203 i 204.

Przez otwarcie przełączników 209 i 210, prąd cyrkuluje w 203, 212, 216, 217, 213 i 204 tak, żeby ładować kondensatory wyrównawcze 216 i 217 oraz maleje z nachyleniem równym

-[Vin - (Vc1 + Vc₂)]/(L₁ + L₂ + M1₂)

Za pomocą połączenia między węzłem 211 i węzłem 218 lub między dwoma przełącznikami 209 i 210 z dwoma kondensatorami 216 i 217, które mają równe pojemności, napięcie dostarczane do każdego z przełączników jest równe Vc/2, które stanowi połowę napięcia, które występuje przy konfiguracjach normalnie znanych stopni PFC.

To umożliwia zastosowanie przełączników, które mają niższe napięcie przebicia i z powodu związania z technologią wytwarzania przełączników elektronicznych umożliwia pracę przy wyższych częstotliwościach przełączania, w wyniku tego umożliwiając zmniejszenie wartości cewek indukcyjnych 203 i 204 oraz poprawę sterowania prądem pobieranym z sieci zasilającej.

Jak wiadomo, gdy napięcie przebicia przełączników elektronicznych wzrasta, prawidłowe czasy przełączania wymienionych przełączników także zwiększają się, a zatem staje się coraz potrzebniejsze obniżenie częstotliwości przełączania w celu ograniczenia mocy rozpraszanej przez wymienione przełączniki.

Stopień inwertora 300 ma wysoką częstotliwość przełączania i zawiera: pierwszy węzeł zewnętrzny 301, który jest dołączony do przewodu wyjściowego 219 stopnia PFC, drugi węzeł zewnętrzny 302, który jest dołączony do przewodu wyjściowego 220, pierwszy węzeł pośredni 303, który jest dołączony do przewodu wyjściowego 221 ze wstawioną diodą 304 i drugi węzeł pośredni 305, który jest dołączony do przewodu wyjściowego 221 ze wstawioną diodą 306.

Diody 304 i 306 są umieszczone tak, żeby mieć przeciwne kierunki przewodzenia.

Pierwsza triada elementów w konfiguracji równoległej, utworzona przez sterowany przełącznik 307, diodę 308 i kondensator 309, jest zapewniona między pierwszym węzłem zewnętrznym 301 i pierwszym węzłem pośrednim 303.

Druga triada elementów w konfiguracji równoległej, utworzona przez sterowany przełącznik 311, diodę 312 i kondensator 313, jest zapewniona między pierwszym węzłem pośrednim 303 i pierwszym węzłem środkowym 310.

Podobnie triada elementów w konfiguracji równoległej, utworzona przez trzeci sterowany przełącznik 314, diodę 315 i kondensator 316, jest zapewniona między drugim węzłem zewnętrznym 302 i drugim węzłem pośrednim 305.

Triada elementów w konfiguracji równoległej, utworzona przez czwarty sterowany przełącznik 317, diodę 318 i kondensator 319, jest zapewniona między drugim węzłem pośrednim 303 i węzłem środkowym 310.

Występuje również kondensator 320, który jest włączony między dwa węzły pośrednie 303 i 305.

Stopień inwertora 300 ma ponadto przyrząd sterujący 321 do włączania i wyłączania czterech sterowanych przełączników 307, 311,317 i 314.

PL 208 241 B1

Za pomocą połączenia między węzłem 322, który jest wspólny dla diod 304 i 306, i węzłem 218, maksymalne napięcie oddziałujące na każdy sterowany przełącznik jest dzielone na połowę.

Ta sytuacja umożliwia użycie elementów, które mają znacznie większe częstotliwości i szybkości przełączania niż obwody ze znanym układem, tak że jest możliwe zmniejszenie wymiarów elementów magnetycznych.

Wobec połączenia między stopniem PFC 200 i stopniem inwertora 300, za pomocą przewodów 219, 221 i 220, w wyniku prawidłowego włączania i wyłączania, możliwe jest sterowanie przełącznikami dla sterowania wyrównywaniem napięć na kondensatorach 216 i 217 tak, żeby zapobiegać sterowaniu kompromisowemu prądem spawania.

Stopień 400 jest zasilany przez węzeł 322 i przez węzeł 310, z którym jest związane pierwotne uzwojenie transformatora 401, a wymieniony transformator z kolei dostarcza energię do prostownika 402, którego wyjście zasila łuk spawalniczy 404 za pomocą cewki indukcyjnej 403.

Claims (6)

1. Generator dla spawarki łukowej o dużym współczynniku mocy typu złożonego ze stopnia prostowniczego zasilanego przez sieć zasilającą (100), po którym następuje stopień PFC (200) i stopień inwertora (300), oba typu wielkiej częstotliwości, ten ostatni zasilający stopień wyjściowy (400) dla dostarczania mocy do łuku spawalniczego (404), znamienny tym, że:

wymieniony stopień PFC (200) jest złożony z: dwóch cewek indukcyjnych (203, 204), które są sprzężone wzajemnie magnetycznie i są umieszczone szeregowo na wyjściu stopnia prostowniczego (100); dwóch pierwszych sterownych przełączników (209, 210) wielkiej częstotliwości, które są włączone między wspólny węzeł (211) i dwa węzły (207, 208) odpowiednio na wyjściach dwóch cewek indukcyjnych (203, 204); dwóch diod (212, 213) o przeciwnych kierunkach przewodzenia, które są odpowiednio dołączone do węzłów (207, 208) między przełącznikami (209, 210) i wzajemnymi cewkami indukcyjnymi (203, 204); dwóch kondensatorów wyrównawczych (216, 217), które są dołączone do węzłów wyjściowych (214, 215) wymienionych diod (212, 213) i wspólnego węzła (211) wymienionych pierwszych przełączników (209, 210); ponadto są zapewnione elementy (222) do sterowania kolejnością włączania i wyłączania wymienionych dwóch pierwszych przełączników (209, 210), tak żeby kształtować prąd pobierany przez stopień prostowniczy, korelując go z przebiegiem napięcia linii;

wymieniony stopień inwertora (300), zasilany między wspólnym węzłem (211) wymienionych pierwszych przełączników (209, 210) wielkiej częstotliwości i wspólnym węzłem (218) między wymienionymi kondensatorami (216, 217), zawiera cztery triady, każda złożona z drugiego sterowanego przełącznika (307, 311, 317, 314), diody (308, 312, 318, 315) i kondensatora (309, 313, 319, 316), połączonych tak, żeby tworzyć pięć węzłów, odpowiednio węzeł środkowy (310), dwa węzły pośrednie (303, 305) i dwa węzły zewnętrzne (301, 302), a wymienione węzły zewnętrzne (301, 302) są dołączone do węzłów między wymienionymi pierwszymi przełącznikami (209, 210) i poszczególnymi diodami (212, 213), wymienione węzły pośrednie (303, 305) są dołączone do wspólnego węzła (211) wymienionych dwóch pierwszych elektronicznych przełączników (209, 210) ze wstawieniem odpowiednio diody (304, 306), a kondensator (320) jest włączony między wymienione węzły pośrednie (303, 305), ponadto jest zapewniony przyrząd sterujący (321) dla czterech drugich przełączników (307, 311, 317, 314), a prąd dla stopnia wyjściowego (400), który zasila łuk spawalniczy, jest pobierany między wspólnym (211) z dwóch pierwszych przełączników (209, 210) i węzłem środkowym (310) wymienionych czterech triad drugich sterowanych przełączników (307, 311,317, 314), diod (308, 312,

318, 315) i kondensatorów (309, 313, 319, 316).

2. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że zasilanie sieci zasilającej może być jednofazowe lub trójfazowe.

3. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że wymienione dwa pierwsze przełączniki (209, 210) są typu znanego jako IGBT.

4. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że wymienione dwa pierwsze przełączniki (209, 210) są typu znanego jako MOSFET.

5. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że wymienione elementy, które sterują włączaniem i wyłączaniem wymienionych pierwszych przełączników (209, 210) są utworzone przez przyrząd (222), który pobiera sygnały napięciowe i prądowe (Vin, Vc^ Vc₂, lin) i steruje prądem pobieranym przez

PL 208 241 B1 stopień (100) wyprostowanego zasilania mocy, przez kształtowanie jego przebiegu otrzymanego z sygnału Vin, tak żeby zmniejszyć zakłócenia i otrzymać bardzo duży współczynnik mocy.

6. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że wymienione dwie diody (304, 306) stopnia inwertora (300), których wspólny węzeł (322) jest dołączony do węzła (218) stopnia PFC (200), umożliwiają podział na połowę maksymalnego napięcia na czterech sterowanych przełącznikach (307, 311, 317, 314), umożliwiając użycie elementów, które mają dużą częstotliwość i szybkość przełączania.