RU2063314C1

RU2063314C1 - Arc welding supply source

Info

Publication number: RU2063314C1
Application number: RU93030289A
Authority: RU
Inventors: А.И. Комарчев; Л.И. Сахно; О.И. Сахно; В.В. Смирнов
Original assignee: Институт сварки России
Priority date: 1993-05-28
Filing date: 1993-05-28
Publication date: 1996-07-10

Abstract

FIELD: welding. SUBSTANCE: source has single- phase transformer with three-core magnetic circuit and two secondary windings, each consisting of two sections connected in series aiding. Each winding is connected to its noncontrolled rectifier. Outputs of both rectifiers are connected in parallel with load. Primary winding and one section of each secondary winding are arranged on middle core, and other sections, on extreme cores. One rectifier is used for starting the arc, and the other, to provide welding current. EFFECT: enlarged operating capabilities. 3 dwg

Description

Изобретение относится к сварке металлов и может быть использовано в установках для дуговой сварки. The invention relates to the welding of metals and can be used in installations for arc welding.

Наиболее широкое распространение получили источники питания для дуговой сварки, содержащие трансформатор, один неуправляемый выпрямитель и сглаживающий дроссель /1,2/. Они просты и надежны в эксплуатации, однако имеют повышенную массу меди и стали и потребляют большую мощность из электрической сети. Для снижения массы меди и потребляемой мощности из сети сравнительно часто в таких установках используют импульсные стабилизаторы дуги или другие устройства, обеспечивающие повышенное напряжение на дуговом промежутке при зажигании дуги /3,4/. Недостатками этих источников являются низкая надежность, трудность ремонта, что связано с использованием в них электронных схем и сложных систем управления. The most widely used power sources for arc welding, containing a transformer, one uncontrolled rectifier and a smoothing inductor / 1,2 /. They are simple and reliable in operation, however, they have an increased mass of copper and steel and consume more power from the electric network. To reduce the mass of copper and the power consumption from the network, relatively often in such installations use pulse arc stabilizers or other devices that provide increased voltage on the arc gap when igniting the arc / 3,4 /. The disadvantages of these sources are low reliability, difficulty of repair, which is associated with the use of electronic circuits and complex control systems in them.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран источник питания для дуговой сварки, содержащий однофазный трансформатор с двумя вторичными обмотками и два выпрямителя, подключенных параллельно дуговому промежутку /5/. Напряжение холостого хода первой вторичной обмотки составляет 80В, второй вторичный 28 30В. Обмотки намотаны на один стержень магнитопровода, что обеспечивает жесткую внешнюю характеристику выпрямителя. Первая вторичная обмотка с подключенным к ней вспомогательным выпрямителем служит для возбуждения и устойчивого горения дуги, вторая вторичная обмотка и основной выпрямитель обеспечивают рабочий ток при сварке. Конденсатор, включенный последовательно с первой вторичной обмоткой, ограничивает ток этой обмотки и осуществляет фазовый сдвиг токов выпрямителей. Требуемое ограничение тока короткого замыкания обеспечивает электрическая схема и система управления ею. Недостатком этого источника является низкая надежность работы и повышенная сложность системы управления электронной схемы. Наличие конденсатора увеличивает массу выпрямителя. As a prototype of the invention, a power source for arc welding is selected, comprising a single-phase transformer with two secondary windings and two rectifiers connected in parallel with the arc gap / 5 /. The open circuit voltage of the first secondary winding is 80V, the second secondary 28 30V. The windings are wound on one core of the magnetic circuit, which provides a rigid external characteristic of the rectifier. The first secondary winding with an auxiliary rectifier connected to it serves to excite and stably burn the arc, the second secondary winding and the main rectifier provide operating current during welding. A capacitor connected in series with the first secondary winding limits the current of this winding and carries out a phase shift of the rectifier currents. The required short circuit current limitation is provided by the electric circuit and its control system. The disadvantage of this source is the low reliability and increased complexity of the control system of the electronic circuit. The presence of a capacitor increases the mass of the rectifier.

В основу изобретения положена задача создать источник питания для дуговой сварки, обеспечивающий высокие сварочно-технологические свойства (устойчивое горение дуги, малое разбрызгивание металла) при низком уровне потребляемой из электрической сети мощности и высокой надежности работы. Источник должен иметь сниженные массогабаритные показатели. The basis of the invention is to create a power source for arc welding, providing high welding and technological properties (stable arc burning, low spatter of metal) with a low level of power consumed from the electric network and high reliability. The source should have reduced weight and size indicators.

Поставленная задача решается тем, что источник питания для дуговой сварки, содержащий первый и второй выпрямители, параллельно подключены к дуговому промежутку, однофазный трансформатор с магнитопроводом, на котором расположены первичная и первая и вторая вторичные обмотки, первая из которых электрически связана с первым выпрямителем, а вторая обмотка со вторым выпрямителем, согласно изобретению имеет трехстержневой магнитопровод трансформатора, каждая вторичная обмотка выполнена в виде двух последовательно и согласно соединенных секций, при этом первичная обмотка и первые секции вторичных обмоток расположены на среднем стержне магнитопровода, а вторые секции вторичных обмоток расположены на крайних стержнях магнитопровода, причем первый и второй выпрямители выполнены на основе неуправляемых вентилей. The problem is solved in that the power source for arc welding, containing the first and second rectifiers, is connected in parallel to the arc gap, a single-phase transformer with a magnetic circuit on which the primary and first and second secondary windings are located, the first of which is electrically connected to the first rectifier, and the second winding with a second rectifier, according to the invention, has a three-core transformer magnetic core, each secondary winding is made in the form of two in series and in accordance with projection, while the primary winding and the first sections of the secondary windings are located on the middle core of the magnetic circuit, and the second sections of the secondary windings are located on the extreme rods of the magnetic circuit, the first and second rectifiers are based on uncontrolled valves.

Повышение надежности заявляемого источника обеспечивается использованием неуправляемых вентилей в выпрямителях, при этом подключенные параллельно нагрузке основной и вспомогательный вентили позволяют получить напряжение холостого хода источника 65 75В при низком уровне потребляемой из сети мощности. В отличие от прототипа в заявляемом источнике ограничение тока короткого замыкания осуществляется за счет падения напряжения на индуктивности рассеяния трансформатора. Для этого первичная и вторичные обмотки расположены на разных стержнях магнитопровода. Однако расположение витков вторичных обмоток основного и вспомогательного выпрямителей на одном стержне приводит к снижению основного магнитного потока в нем, что снижает рабочие токи выпрямителей и отрицательно сказывается на массогабаритных показателях. Improving the reliability of the claimed source is ensured by the use of uncontrolled valves in the rectifiers, while the main and auxiliary valves connected in parallel to the load make it possible to obtain an open circuit voltage of the source 65 75V at a low level of power consumed from the network. In contrast to the prototype in the inventive source, the short circuit current is limited due to the voltage drop across the transformer inductance. For this, the primary and secondary windings are located on different rods of the magnetic circuit. However, the location of the turns of the secondary windings of the main and auxiliary rectifiers on one rod leads to a decrease in the main magnetic flux in it, which reduces the operating currents of the rectifiers and adversely affects the overall dimensions.

С целью устранения электромагнитной связи вторичных обмоток трансформатора, приводящей к снижению рабочего тока, в заявленном решении предлагается выполнить магнитопровод трехстержневым, причем первичную обмотку расположить на среднем стержне, а вторичные обмотки следует выполнить двухсекционными из последовательно и согласно соединенных секций. При этом первые секции вторичных обмоток следует расположить на среднем стержне, где и первичная обмотка, а вторичные секции вторичных обмоток расположить на разных крайних стержнях магнитопровода. Количество витков секций на крайних стержнях определяет сопротивление в цепи переменного тока соответствующего выпрямителя, ограничивающее ток короткого замыкания источника. Сопротивления секций вторичных обмоток, расположенных на среднем стержне, пренебрежимо малы по сравнению с сопротивлением секций на крайних стержнях. Эти секции используются только для получения требуемого напряжения холостого хода обмотки. Поскольку секции обмоток основного и вспомогательного выпрямителей расположены на разных крайних стержнях магнитопровода, отсутствует эффект снижения основного магнитного потока, охватываемого обмоткой одного из выпрямителей, вследствие прохождения тока в обмотке другого выпрямителя. In order to eliminate the electromagnetic coupling of the secondary windings of the transformer, which leads to a decrease in the operating current, the proposed solution proposes to make the magnetic core a three-core, and the primary winding should be located on the middle rod, and the secondary windings should be made two-sectioned in series and according to the connected sections. In this case, the first sections of the secondary windings should be located on the middle rod, where the primary winding, and the secondary sections of the secondary windings should be located on different extreme rods of the magnetic circuit. The number of turns of sections on the extreme rods determines the resistance in the alternating current circuit of the corresponding rectifier, limiting the short circuit current of the source. The resistances of the sections of the secondary windings located on the middle rod are negligible in comparison with the resistance of the sections on the outer rods. These sections are used only to obtain the required open circuit voltage of the winding. Since the sections of the windings of the main and auxiliary rectifiers are located on different extreme rods of the magnetic circuit, there is no effect of reducing the main magnetic flux covered by the winding of one of the rectifiers, due to the passage of current in the winding of the other rectifier.

Следует отметить, что прохождение тока по обмотке вспомогательного выпрямителя приводит к увеличению части основного потока, ответвляющегося в крайний стержень, на котором расположена обмотка основного выпрямителя. В данном случае он играет роль магнитного шунта. Основной поток в этом стержне является максимальным при работе одного вспомогательного выпрямителя (в начале внешней характеристики источника при зажигании дуги) и уменьшается по мере нарастания тока в основном выпрямителе. Следовательно, напряжение холостого хода основного выпрямителя повышается при токах нагрузки (I_нагр.), не превышающих рабочий ток (I_раб.), и снижается при I_нагр.>I_раб..It should be noted that the passage of current through the winding of the auxiliary rectifier leads to an increase in part of the main stream branching into the extreme terminal on which the winding of the main rectifier is located. In this case, it plays the role of a magnetic shunt. The main flow in this rod is maximum during the operation of one auxiliary rectifier (at the beginning of the external characteristic of the source during arc ignition) and decreases with increasing current in the main rectifier. Therefore, the open circuit voltage increases as the main rectifier load current (I _LOAD.), Do not exceed the operating current (I _slave.), And I is reduced by _heating. > I _slave. .

Использование этого эффекта в заявленном решении позволило получить рабочую точку на внешней характеристике источника, содержащего неуправляемые вентили, при низком значении напряжения холостого хода основного выпрямителя с одновременным выполнением условия ограничения тока короткого замыкания, обеспечивающего малое разбрызгивание металла (I_к.з./I_раб.=1,35^oC1,4 /6/).Using this effect in the claimed solution made it possible to obtain a working point on the external characteristic of a source containing uncontrolled valves, at a low value of the open circuit voltage of the main rectifier while fulfilling the condition of limiting the short circuit current, which provides a small spatter of metal (I _{short circuit} / I _slave. = 1.35 ^o C1.4 / 6 /).

Существенное расширение возможностей формирования требуемой внешней характеристики источника при минимальных массогабаритных показателях трансформатора обеспечивает выбор оптимального соотношения между площадями поперечных сечений крайних стержней магнитопровода, а также между количеством витков секций каждой вторичной обмотки, расположенных на среднем и крайнем стержнях. A significant expansion of the possibilities of forming the required external source characteristic with minimum transformer dimensions and mass provides the choice of the optimal ratio between the cross-sectional areas of the extreme terminals of the magnetic circuit, as well as the number of turns of sections of each secondary winding located on the middle and extreme terminals.

В заявленном источнике выпрямительный ток не спадает до нуля в процессе горения дуги благодаря сдвигу фаз между токами основного и вспомогательного выпрямителей вследствие существенных индуктивностей рассеяния их обмоток. Это условие является основным для обеспечения устойчивого горения дуги в сварочном выпрямителе /7/. In the claimed source, the rectifying current does not drop to zero during arc burning due to a phase shift between the currents of the main and auxiliary rectifiers due to the significant scattering inductances of their windings. This condition is basic to ensure stable arc burning in the welding rectifier / 7 /.

Снижение массогабаритных показателей достигнуто за счет отсутствия в заявленном источнике конденсатора в цепи вспомогательного выпрямителя и блока управления тиристорами. The reduction in overall dimensions was achieved due to the absence of a capacitor in the declared source of the auxiliary rectifier circuit and the thyristor control unit.

На фиг.1 представлена электрическая схема заявляемого источника питания; на фиг. 2 внешняя характеристика заявляемого источника, в том числе внешние характеристики основного и вспомогательного выпрямителей; на фиг. 3 - осциллограммы токов в заявленном источнике. Figure 1 presents the electrical circuit of the inventive power source; in FIG. 2 external characteristics of the claimed source, including external characteristics of the main and auxiliary rectifiers; in FIG. 3 - waveforms of currents in the claimed source.

Заявленный источник питания содержит однофазный трансформатор 1 с магнитопроводом, имеющим три стержня: средний 2 и два крайних 3 и 4 соответственно. На среднем стержне 2 трансформатора 1 расположена первичная обмотка 5. Первая вторичная обмотка 6 разделена на секции, первая секция 7 расположена на среднем стержне 2, а вторая секция 8 на крайнем стержне 3 магнитопровода. Вторая вторичная обмотка 9 также состоит из двух секций, первая секция 10 расположена на среднем стержне 2, а вторая секция 11 на втором крайнем стержне 4 магнитопровода. Вторичная обмотка 8 соединена со вспомогательным выпрямителем 12, а вторичная обмотка 9 о основным выпрямителем 13. The claimed power source contains a single-phase transformer 1 with a magnetic circuit having three rods: middle 2 and two extreme 3 and 4, respectively. The primary winding 5 is located on the middle rod 2 of the transformer 1. The first secondary winding 6 is divided into sections, the first section 7 is located on the middle rod 2, and the second section 8 on the extreme core 3 of the magnetic circuit. The second secondary winding 9 also consists of two sections, the first section 10 is located on the middle rod 2, and the second section 11 on the second extreme rod 4 of the magnetic circuit. The secondary winding 8 is connected to the auxiliary rectifier 12, and the secondary winding 9 about the main rectifier 13.

Источник питания работает следующим образом. После включения первичной обмотки 5 на выходах выпрямителей 12 и 13 устанавливается постоянное напряжение, по величине близкое к напряжению холостого хода первой вторичной обмотки 6. Это напряжение запирает большую часть периода работы источника выпрямителя 13. Поэтому ток вспомогательного выпрямителя 12 значительно превышает ток основного выпрямителя 13. The power source operates as follows. After the primary winding 5 is turned on, a constant voltage is set at the outputs of the rectifiers 12 and 13, which is close to the open circuit voltage of the first secondary winding 6. This voltage closes most of the period of operation of the source of the rectifier 13. Therefore, the current of the auxiliary rectifier 12 significantly exceeds the current of the main rectifier 13.

Ток в дуговом промежутке 14 складывается из токов этих выпрямителей. Прохождение тока по секции 8 первой вторичной обмотки 6 приводит к увеличению основного магнитного потока в стержне 4, что в свою очередь увеличивает ток основного выпрямителя 13. The current in the arc gap 14 is composed of the currents of these rectifiers. The passage of current through section 8 of the first secondary winding 6 leads to an increase in the main magnetic flux in the rod 4, which in turn increases the current of the main rectifier 13.

При увеличении тока в дуговом промежутке 14 снижается напряжение на выходе вспомогательного выпрямителя 12, поскольку возрастает падение на индуктивности рассеяния трансформатора 1. Время включения основного выпрямителя 13 увеличивается, а следовательно увеличивается значение тока этого выпрямителя. В рабочей точке основания часть тока обеспечивается основным выпрямителем. With increasing current in the arc gap 14, the voltage at the output of the auxiliary rectifier 12 decreases, since the drop in the scattering inductance of the transformer 1 increases. The turn-on time of the main rectifier 13 increases, and therefore the current value of this rectifier increases. At the operating point of the base, a part of the current is provided by the main rectifier.

При токах, превышающих рабочий, основной магнитный поток в стержне 4 снижается из-за значительного падения напряжения на индуктивности рассеяния секции 11. Снижение основного потока в стержнях 3 и 4 способствует получению крутопадающей внешней характеристики источника, что обеспечивает ограничение тока короткого замыкания. At currents exceeding the operating one, the main magnetic flux in the rod 4 decreases due to a significant voltage drop across the leakage inductance of section 11. A decrease in the main flux in the rods 3 and 4 contributes to a steeply falling external characteristic of the source, which limits the short circuit current.

На фиг. 2 показана внешняя характеристика 15 заявляемого источника, а также внешние характеристики 16 и 17 основного и вспомогательного выпрямителей. Напряжение холостого хода вспомогательного выпрямителя составляет (для примера) 70В, основного 36В. Из приведенных зависимостей видно, что в рабочей точке (V_дуги 25В, I_раб. 125А) основную часть тока нагрузки (100А) дает основной выпрямитель 13. Обмотка 9 включается при напряжениях, превышающих 36В, что объясняется как сдвигом фаз токов основного и вспомогательного выпрямителей 13 и 12, так и увеличением напряжения холостого хода этой обмотки за счет увеличения основного магнитного потока в стержней 4 при работе вспомогательного выпрямителя 12.In FIG. 2 shows the external characteristic 15 of the claimed source, as well as the external characteristics 16 and 17 of the main and auxiliary rectifiers. The open circuit voltage of the auxiliary rectifier is (for example) 70V, the main 36V. From the above dependencies it is seen that at the operating point (V _arc 25V, I _slave. 125A) the main part of the load current (100A) is provided by the main rectifier 13. The winding 9 is turned on at voltages exceeding 36V, which is explained as a phase shift of the currents of the main and auxiliary rectifiers 13 and 12, as well as an increase in the open circuit voltage of this winding due to an increase in the main magnetic flux in the rods 4 during operation of the auxiliary rectifier 12.

На фиг. 3 даны зависимости от времени тока 18 в дуговом промежутке, тока 19 основного выпрямителя и тока 20 вспомогательного выпрямителя. In FIG. 3 shows the time dependence of the current 18 in the arc gap, the current 19 of the main rectifier and the current 20 of the auxiliary rectifier.

Они показывают, что в заявленном источнике достигнут фазовый сдвиг между токами основного и вспомогательного выпрямителей, потому ток дуги не спадает до нуля и дуга горит устойчиво. They show that in the declared source a phase shift between the currents of the main and auxiliary rectifiers is achieved, therefore the arc current does not drop to zero and the arc burns steadily.

Таким образом, трансформатор с трехстержневым магнитопроводом, на котором определенным образом размещены вторичные обмотки, подключенные к двум параллельно соединенным выпрямителям, в заявленном источнике проявил следующие свойства:
повышение напряжения холостого хода одной из вторичных обмоток при протекании тока по другой;
обеспечение сдвига фаз токов основного и вспомогательного выпрямителей.Thus, a transformer with a three-core magnetic circuit, on which the secondary windings connected to two rectifiers connected in parallel are placed in a certain way, showed the following properties in the claimed source:
increasing the open circuit voltage of one of the secondary windings when current flows through the other;
providing phase shift currents of the main and auxiliary rectifiers.

Эффективность заявляемого изобретения подтверждается следующим примером. На базе серийно выпускаемого бытового сварочного выпрямителя ВД-861 /8/ - аналог авторами разработан макет источника питания для ручной дуговой сварки, содержащий два параллельно соединенных неуправляемых выпрямителя, один из которых обеспечивает зажигание дуги, а другой рабочий ток. Трансформатор имеет магнитопровод с тремя стержнями. Напряжение холостого хода источника составляет 70В, отношение тока короткого замыкания к рабочему току не превышает 1,4. Испытания источника показали его высокие сварочно-технологические свойства легкость зажигания и устойчивость горения дуги, малое разбрызгивание металла, высокую эластичность дуги. Достигнут низкий уровень потребления мощности из сети, например, при рабочем токе 125А сетевой ток не превышает 27А. The effectiveness of the claimed invention is confirmed by the following example. On the basis of the VD-861/8 / household commercial welding rectifier, an analogue, the authors developed a model of a power source for manual arc welding, containing two parallel-connected uncontrolled rectifiers, one of which provides ignition of the arc, and the other an operating current. The transformer has a magnetic core with three rods. The open circuit voltage of the source is 70V, the ratio of short circuit current to operating current does not exceed 1.4. Tests of the source showed its high welding and technological properties, ease of ignition and stability of arc burning, low spatter of metal, and high elasticity of the arc. A low level of power consumption from the network is achieved, for example, at an operating current of 125A, the mains current does not exceed 27A.

По сравнению с прототипом заявленный источник имеет следующие преимущества:
повышение надежности работы;
снижение массогабаритных показателей установки. ЫЫЫ2Compared with the prototype, the claimed source has the following advantages:
increased reliability;
reduction of overall dimensions of the installation. YYY2

Claims

A power source for arc welding, containing the first and second rectifiers connected in parallel to the arc gap, and a single-phase transformer with a magnetic circuit on which the primary and first and second secondary windings are located, the first of which is electrically connected to the first rectifier, and the second secondary winding to the second rectifier, and the first and second rectifiers are made on the basis of uncontrolled valves, characterized in that the magnetic circuit of the transformer is made of a three-rod, each secondary winding is made Nena as two sequentially connected and according to sections, the primary winding and the first secondary winding section located at the middle of the magnetic rod and the second section of the secondary windings are arranged on the outer magnetic cores.