RU2049614C1

RU2049614C1 - Power source for plasma arc working

Info

Publication number: RU2049614C1
Application number: RU92005339A
Authority: RU
Inventors: Владимир Борисович Вандышев; Анатолий Васильевич Пилипенко; Димитр Костов Костадинов; Христо Иорданов Панев
Original assignee: Владимир Борисович Вандышев; Анатолий Васильевич Пилипенко; Димитр Костов Костадинов; Христо Иорданов Панев
Priority date: 1992-11-06
Filing date: 1992-11-06
Publication date: 1995-12-10

Abstract

FIELD: welding technique. SUBSTANCE: power source includes a single-phase transformer with two secondary windings, a rectifier and a capacitor, connected between a first output of the first secondary winding and a first input terminal of the rectifier. A second input terminal of the rectifier is connected with a second output of the first secondary winding. The rectifier of the power source has a three-phase bridge circuit, and its third input terminal is connected with a first output of the second secondary winding, whose second output is connected with a second output of the first secondary winding. The first and the second secondary windings are connected mutually opposite. EFFECT: enlarged using range of the power source. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к сварочной технике, а именно конкретно к источникам питания для плазменно-дуговых установок, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, а также в бытовых условиях. The invention relates to welding equipment, and specifically to power supplies for plasma-arc installations, and can be used in various industries, as well as in domestic conditions.

Известен источник питания плазменно-дуговых установок, содержащий однофазный трансформатор, выпрямитель и дроссель, включенный последовательно дуговому промежутку. Недостатком указанного источника являются низкие технико-экономические показатели, а именно невысокий коэффициент мощности, значительные масса и габариты. Низкий коэффициент мощности препятствует эффективному использованию источника питания особенно в бытовых условиях. A known power source for plasma-arc installations containing a single-phase transformer, a rectifier and a choke, connected in series with the arc gap. The disadvantage of this source is the low technical and economic indicators, namely a low power factor, significant weight and dimensions. A low power factor prevents the efficient use of a power source, especially in a domestic environment.

Известен также источник питания, содержащий однофазный трансформатор, батарею конденсаторов, выпрямитель и дроссель. Источник позволяет производить сварку и резку плазменной дугой на относительно низких уровнях тока (до 30 А). Однако он имеет ограничение по качеству плазменно-дуговой обработки материалов, так как не обеспечивает высокой стабильности параметров режима из-за недостаточной крутизны внешней характеристики и значительных пульсаций выходного тока. Наличие дросселя приводит к увеличению массы и габаритов источника питания. Also known is a power source containing a single-phase transformer, a capacitor bank, a rectifier and a choke. The source allows welding and cutting with a plasma arc at relatively low current levels (up to 30 A). However, it has a limitation on the quality of plasma-arc processing of materials, since it does not provide high stability of the mode parameters due to insufficient steepness of the external characteristic and significant ripple of the output current. The presence of a choke leads to an increase in the mass and dimensions of the power source.

Наиболее близким к изобретению (прототипом) является источник питания, содержащий однофазный трансформатор с двумя вторичными обмотками, два однофазных выпрямителя, конденсатор и ограничительный резистор. Один выпрямитель подключен к первой вторичной обмотке однофазного трансформатора, а другой через конденсатор к второй вторичной обмотке однофазного трансформатора. При этом первая вторичная обмотка выполнена с повышенным рассеянием. Оба выпрямителя включены параллельно на стороне постоянного тока. Схема источника питания позволяет компенсировать реактивные составляющие токов и как следствие имеет высокий коэффициент мощности. В свою очередь это приводит к снижению потребляемого тока и позволяет улучшить массообъемные показатели. Устройство работает в режиме со сниженными пульсациями выходного тока, обусловленными фазовым сдвигом между токами на выходе первого и второго выпрямителей. Специальное выполнение вторичной обмотки и введение ограничительного резистора повышают надежность и улучшают массообъемные показатели. Closest to the invention (prototype) is a power source containing a single-phase transformer with two secondary windings, two single-phase rectifiers, a capacitor and a limiting resistor. One rectifier is connected to the first secondary winding of a single-phase transformer, and the other through a capacitor to the second secondary winding of a single-phase transformer. In this case, the first secondary winding is made with increased scattering. Both rectifiers are connected in parallel on the DC side. The power supply circuit allows you to compensate for the reactive components of the currents and as a result has a high power factor. In turn, this leads to a decrease in current consumption and allows to improve the mass-volume indicators. The device operates in a mode with reduced ripple of the output current due to a phase shift between the currents at the output of the first and second rectifiers. The special implementation of the secondary winding and the introduction of a limiting resistor increase reliability and improve mass-volume indicators.

Недостатком источника питания является то, что он не обеспечивает необходимого качества резки и сварки. The disadvantage of the power source is that it does not provide the necessary quality of cutting and welding.

При выполнении устройства на неуправляемых вентилях это связано с недостаточной крутизной внешней характеристики, имеющей практически линейный характер. Такой вид внешней характеристики источника питания связан с тем, что она является результирующей линейных внешних характеристик двух однофазных выпрямителей. When performing the device on uncontrolled valves, this is due to the insufficient steepness of the external characteristic, which is almost linear. This type of external characteristic of the power source is due to the fact that it is the result of linear external characteristics of two single-phase rectifiers.

При выполнении источника питания на управляемых вентилях можно обеспечить крутопадающую внешнюю характеристику. Однако это не приводит к улучшению качества обработки (резки и сварки) из-за значительного увеличения пульсаций в выходном токе при регулировании. When performing a power supply on controlled valves, a steeply dipping external characteristic can be provided. However, this does not lead to an improvement in the quality of processing (cutting and welding) due to a significant increase in ripples in the output current during regulation.

Кроме того, наличие в схеме двух однофазных мостовых выпрямителей требует расхода не менее 8 полупроводниковых вентилей. In addition, the presence of two single-phase bridge rectifiers in the circuit requires the consumption of at least 8 semiconductor valves.

В основу изобретения положено решение задачи создания источника питания для плазменно-дуговой обработки, обеспечивающего высокое качество обработки материалов, с уменьшенным расходом полупроводниковых вентилей. The basis of the invention is the solution to the problem of creating a power source for plasma-arc processing, providing high quality processing of materials, with reduced consumption of semiconductor valves.

Поставленная задача решается тем, что в источнике питания для плазменно-дуговой обработки, содержащем выпрямитель, однофазный трансформатор с первичной и двумя вторичными обмотками, первая из которых первым выводом подключена через конденсатор к первой входной клемме выпрямителя, а вторым выводом подключена к второй входной клемме выпрямителя, вторая вторичная обмотка выполнена с повышенным рассеянием, выпрямитель выполнен по трехфазной мостовой схеме и третьей входной клеммой соединен с первым выводом второй вторичной обмотки, второй вывод которой соединен с вторым выводом первой вторичной обмотки, причем первая и вторая вторичные обмотки включены встречно. The problem is solved in that in the power source for plasma-arc processing, containing a rectifier, a single-phase transformer with a primary and two secondary windings, the first of which is connected through the capacitor to the first input terminal of the rectifier, and the second output is connected to the second input terminal of the rectifier , the second secondary winding is made with increased dispersion, the rectifier is made according to a three-phase bridge circuit and the third input terminal is connected to the first terminal of the second secondary winding, sec the second terminal of which is connected to the second terminal of the first secondary winding, the first and second secondary windings being turned on in opposite directions.

Такая реализация электрической схемы источника питания, в которой используется трехфазный мостовой выпрямитель, питаемый от однофазного трансформатора, обеспечивает фазовый сдвиг между напряжениями на входе трехфазного мостового выпрямителя за счет индуктивности рассеяния второй вторичной обмотки трансформатора и результирующего емкостного характера внутреннего сопротивления ветви, включающей первую вторичную обмотку трансформатора и конденсатор. Such an implementation of the power supply circuitry, in which a three-phase bridge rectifier powered by a single-phase transformer is used, provides a phase shift between the voltages at the input of the three-phase bridge rectifier due to the leakage inductance of the second secondary winding of the transformer and the resulting capacitive nature of the internal resistance of the branch, including the first secondary winding of the transformer and capacitor.

Естественная внешняя характеристика заявляемого источника является крутопадающей, так как работа трехфазного мостового выпрямителя в предлагаемом источнике питания в стационарных режимах по характеру электромагнитных процессов близка к работе трехфазного мостового выпрямителя, питаемого от трехфазного трансформатора с рассеянием, вторичные обмотки которого подключены по схеме открытого треугольника. The natural external characteristic of the inventive source is steeply dipping, since the operation of a three-phase bridge rectifier in the proposed power supply in stationary modes is close in nature to the operation of a three-phase bridge rectifier powered by a three-phase scattering transformer, the secondary windings of which are connected according to an open triangle circuit.

Оптимальным режимом работы предлагаемого источника питания является режим, при котором токи первой и второй вторичных обмоток равны по амплитуде и действующему значению, и равны реактивные сопротивления второй вторичной обмотки и ветви, включающей конденсатор. Такой режим обеспечивает минимальные пульсации выходного тока. В указанном оптимальном режиме ток, потребляемый предлагаемым устройством из питающей сети, имеет только активную составляющую, так как реактивные составляющие токов вторичных обмоток взаимно компенсируются. При правильном выборе параметров элементов источника питания обеспечивается максимально возможное значение коэффициента мощности. The optimal mode of operation of the proposed power source is a mode in which the currents of the first and second secondary windings are equal in amplitude and current value, and the reactance of the second secondary winding and the branch including the capacitor are equal. This mode provides minimal ripple of the output current. In the indicated optimal mode, the current consumed by the proposed device from the supply network has only an active component, since the reactive components of the currents of the secondary windings are mutually compensated. With the right choice of parameters of the power supply elements, the maximum possible value of the power factor is provided.

Таким образом совокупность заявляемых признаков позволяет реализовать свойства источника питания, которое обеспечивают высокое качество обработки материалов за счет получения естественной крутопадающей внешней характеристики и малых пульсаций выходного тока в рабочем режиме, а также высокий коэффициент мощности источника питания. Схема позволяет снизить расход вентилей по сравнению с устройством-прототипом. Thus, the totality of the claimed features allows you to realize the properties of the power source, which provide high quality processing of materials due to the natural steep-dipping external characteristics and small ripples of the output current in the operating mode, as well as a high power factor of the power source. The scheme allows to reduce the consumption of valves compared to the prototype device.

На чертеже изображена принципиальная электрическая схема источника питания для плазменно-дуговой обработки материалов. The drawing shows a circuit diagram of a power source for plasma-arc processing of materials.

Устройство содержит выпрямитель 1, выполненный по трехфазной мостовой схеме с первой 2, второй 3 и третьей 4 входными клеммами, однофазный трансформатор 5 с первичной обмоткой 6 и двумя вторичными обмотками 7 и 8 соответственно. Первый вывод первой вторичной обмотки 7 однофазного трансформатора 5 подключен через конденсатор 9 к первой входной клемме 2 выпрямителя 1. Второй вывод первой вторичной обмотки 7 подключен к второй входной клемме 3 выпрямителя 1. Первый вывод второй вторичной обмотки 8 соединен с третьей входной клеммой 4 выпрямителя 1, а ее второй вывод с вторым выводом первой вторичной обмотки 7 однофазного трансформатора 5. Первая 7 и вторая 8 вторичные обмотки однофазного трансформатора 5 включены встречно. Нагрузка 10 является стабилизированной дугой (поток низкотемпературной плазмы). The device comprises a rectifier 1, made according to a three-phase bridge circuit with the first 2, second 3 and third 4 input terminals, a single-phase transformer 5 with a primary winding 6 and two secondary windings 7 and 8, respectively. The first output of the first secondary winding 7 of the single-phase transformer 5 is connected through a capacitor 9 to the first input terminal 2 of rectifier 1. The second output of the first secondary winding 7 is connected to the second input terminal 3 of rectifier 1. The first output of the second secondary winding 8 is connected to the third input terminal 4 of rectifier 1 and its second terminal with the second terminal of the first secondary winding 7 of the single-phase transformer 5. The first 7 and second 8 secondary windings of the single-phase transformer 5 are turned on in the opposite direction. Load 10 is a stabilized arc (low temperature plasma flow).

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

После подключения источника питания к сети переменного тока на выходе выпрямителя 1 устанавливается напряжение холостого хода. Выходное напряжение имеет две пульсации за период, соответствующий частоте питающей сети, так как отсутствует фазовый сдвиг между напряжениями на входе выпрямителя 1. При подключении нагрузки 10 к выходу выпрямителя 1 (при зажигании стабилизированной дуги) через нее начинает протекать ток, одна составляющая которого через емкостную ветвь, включающую первую вторичную обмотку 7 однофазного трансформатора 5 и конденсатор 9, а другая через индуктивную ветвь, включающую вторую вторичную обмотку 8, выполненную с повышенным рассеянием. Выходной ток имеет четыре пульсации за период изменения сетевого напряжения. Токи емкостной и индуктивной ветвей содержат активные и реактивные составляющие. After connecting the power source to the AC network at the output of the rectifier 1, the open circuit voltage is set. The output voltage has two ripples for a period corresponding to the frequency of the supply network, since there is no phase shift between the voltages at the input of the rectifier 1. When the load 10 is connected to the output of the rectifier 1 (when the stabilized arc is ignited), a current begins to flow through it, one component of which is through the capacitive a branch including a first secondary winding 7 of a single-phase transformer 5 and a capacitor 9, and another through an inductive branch including a second secondary winding 8, made with increased scattering. The output current has four ripples during the period of the mains voltage change. Currents of capacitive and inductive branches contain active and reactive components.

Схема позволяет реализовать режим работы устройства, при котором соотношение параметров источника питания и нагрузки обеспечивает фазовый сдвиг между токами в емкостной и индуктивной ветвях на угол 90^о, равенство их амплитудных и действующих значений. При этом глубина пульсаций в выходном токе минимальна. Ток, потребляемый источником питания из сети по форме близок к синусоидальному.The scheme allows you to implement a device operating mode in which the ratio of the parameters of the power source and the load provides a phase shift between the currents in the capacitive and inductive branches by an angle of 90 ^about , the equality of their amplitude and effective values. In this case, the ripple depth in the output current is minimal. The current consumed by the power source from the network in shape is close to sinusoidal.

Схема может быть реализована на следующей элементной базе. Выпрямитель может быть выполнен на кремниевых или германиевых выпрямительных диодах, а силовой трансформатор на базе типовых силовых трансформаторов, применяемых в установках плазменной обработки. Конденсатор металлобумажный или другого исполнения, рассчитанный на работу в цепи переменного тока. The circuit can be implemented on the following element base. The rectifier can be made on silicon or germanium rectifier diodes, and the power transformer is based on standard power transformers used in plasma processing plants. A metal-paper capacitor or other design, designed for operation in an alternating current circuit.

Электрическая схема источника питания может быть применена в установках для плазменно-дуговой обработки материалов, включая резку, сварку, наплавку, термообработку и т.д. The electrical circuit of the power source can be used in installations for plasma-arc processing of materials, including cutting, welding, surfacing, heat treatment, etc.

Реализация предлагаемой электрической схемы источника питания позволяет в 1,5-2 раза по сравнению с прототипом повысить угол наклона (крутизну) внешней характеристики в рабочей области. Коэффициент пульсаций выходного тока при этом не превышает 0,15-0,2. The implementation of the proposed electrical circuit of the power source allows 1.5-2 times compared with the prototype to increase the tilt angle (slope) of the external characteristics in the work area. The ripple coefficient of the output current does not exceed 0.15-0.2.

Обеспечение естественной крутопадающей внешней характеристики и низкого уровня пульсаций выходного тока приводит к повышению стабильности параметров процесса и, следовательно, к повышению качества обработки материалов. Providing a natural steeply falling external characteristic and a low level of ripple of the output current leads to an increase in the stability of process parameters and, therefore, to an increase in the quality of processing materials.

Расход полупроводниковых вентилей по сравнению с устройством-прототипом снижается на 2 единицы. Высокий коэффициент мощности (более 0,9) позволяет эффективно использовать заявляемый источник в бытовых условиях. The consumption of semiconductor valves compared to the prototype device is reduced by 2 units. High power factor (more than 0.9) allows you to effectively use the claimed source in domestic conditions.

Claims

A power source for a plasma-arc treatment, comprising a rectifier, a capacitor and a single-phase transformer with a primary and two secondary windings, the first of which is connected via a capacitor to the first input terminal of the rectifier, and the second terminal is connected to the second input terminal of the rectifier, the second secondary winding made with increased scattering, characterized in that the rectifier is made according to a three-phase bridge circuit and the third input terminal is connected to the first output of the second secondary winding, W The second terminal of which is connected to the second terminal of the first secondary winding, the first and second secondary windings being turned on in opposite directions.