RU2173618C2

RU2173618C2 - Apparatus for exciting alternating electric current arc

Info

Publication number: RU2173618C2
Application number: RU99110528/02A
Authority: RU
Inventors: ник Владимир Владимирович Сол (UA); Владимир Владимирович Соляник; Владимир Леонидович Сорока (UA); Владимир Леонидович Сорока; Евгений Аркадьевич Копиленко (UA); Евгений Аркадьевич Копиленко; Георгий Васильевич Павленко (UA); Георгий Васильевич Павленко; Глеб Леонидович Павленко (UA); Глеб Леонидович Павленко
Original assignee: Открытое акционерное общество Электромашиностроительный завод "ФИРМА СЭЛМА"
Priority date: 1999-05-18
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2001-09-20

Abstract

FIELD: welding production, namely, devices for exciting and stabilizing electric arc burning at manual argon arc welding of aluminium and its alloys by means of non-melting electrode. SUBSTANCE: pulse transformer 2 has high voltage secondary windings 4,5. Discharge circuit includes accumulating capacitor 6, thyristor 7 and primary winding 3 of pulse transformer 2. Secondary high voltage winding 4 of pulse transformer 2 is connected to welding circuit. Charging unit includes high voltage oscillation circuit 8 having connected in parallel capacitor 9 and inductor 10, discharger 11, blocking capacitor 12 and high voltage accumulating capacitor 13. The last through discharger 11 is connected in parallel with high voltage oscillating circuit 8 which is connected in series with power source 1 of electric arc and in parallel with first high voltage secondary winding 4. Discharger 11 is connected in series with second high voltage secondary winding 5 connected in parallel through blocking capacitor 12 with power source 1. Charging unit also includes additional direct-current circuit for igniting arc having accumulating capacitor and charging-discharging circuits, each includes diode and resistor. Apparatus features low mass and size, provides safety operation for welding operator and needs lowered labor consumption. EFFECT: simplified design, enhanced reliability of apparatus. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к сварочному производству, а именно к устройствам для возбуждения и стабилизации горения дуги при ручной аргонодуговой сварке алюминия и его сплавов неплавящимся электродом. The invention relates to welding production, and in particular to devices for exciting and stabilizing arc burning during manual argon-arc welding of aluminum and its alloys with a non-consumable electrode.

Известен стабилизатор сварочной дуги переменного тока, содержащий зарядный трансформатор, две полупериодные зарядные цепи, каждая из которых содержит одну из вторичных обмоток зарядного трансформатора, диод, конденсатор и разрядный тиристор. Known stabilizer for an AC welding arc containing a charging transformer, two half-cycle charging circuits, each of which contains one of the secondary windings of the charging transformer, a diode, a capacitor and a discharge thyristor.

Для управления тиристорами используется импульсный трансформатор, который является одновременно фазирующим элементом и источником импульсов управления. В каждую схему управления тиристором введены цепь из последовательно соединенных дополнительной вторичной обмотки зарядного трансформатора и диода и параллельно подключенный к ней конденсатор, а также транзистор, резистор, дополнительный диод и стабилитрон (см. авт. свидетельство СССР N 791488, кл. В 23 К 9/06, 1979 г.). To control the thyristors, a pulse transformer is used, which is both a phasing element and a source of control pulses. A circuit from an additional secondary winding of a charging transformer and a diode and a capacitor in parallel with it, as well as a transistor, a resistor, an additional diode, and a zener diode (see USSR author's certificate N 791488, class B 23 K 9, are introduced into each thyristor control circuit / 06, 1979).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относятся низкое качество сварочного соединения и ненадежность работы устройства. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device include the poor quality of the welding joint and the unreliability of the device.

Известно устройство для сварки на переменном токе, содержащее сварочный трансформатор, блок стабилизации, включающий вспомогательный источник питания, обмотка которого через конденсатор и коммутатор подключена параллельно промежутку электрод - изделие. Вспомогательный источник питания выполнен в виде трансформатора с одной первичной и тремя вторичными обмотками и замкнутым магнитопроводом из стали (см. авт. свидетельство СССР N 751538, кл. В 23 К 9/06, 1977 г.). A device for welding on alternating current, comprising a welding transformer, a stabilization unit, including an auxiliary power source, the winding of which is connected in parallel through the gap between the electrode and the product through a capacitor and a switch. The auxiliary power supply is made in the form of a transformer with one primary and three secondary windings and a closed magnetic circuit made of steel (see USSR author's certificate N 751538, class B 23 K 9/06, 1977).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится низкая эффективность действия ввиду отсутствия полной синхронизации момента выдачи стабилизирующих импульсов с моментом перехода тока дуги через ноль, большие габаритные размеры и масса, а также невысокая надежность. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device include low efficiency due to the lack of complete synchronization of the moment of output of the stabilizing pulses with the moment of transition of the arc current through zero, large overall dimensions and weight, as well as low reliability.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является устройство для возбуждения электрической дуги переменного тока, содержащее источник питания, импульсный трансформатор, зарядную цепь и разрядный контур, образованный накопительным конденсатором и первичной обмоткой импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого включена в сварочную цепь (см. авт. свидетельство СССР N 1613263, кл. В 23 К 9/08, 1988 г.), принятое за прототип. The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a device for exciting an electric arc of alternating current, containing a power source, a pulse transformer, a charging circuit and a discharge circuit formed by a storage capacitor and the primary winding of a pulse transformer, the secondary winding of which is included in the welding circuit (see ed. USSR certificate N 1613263, class B 23 K 9/08, 1988), adopted as a prototype.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относятся малоэффективность действия, невысокая надежность, большие габаритные размеры и масса известного устройства. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device adopted for the prototype include inefficiency, low reliability, large overall dimensions and weight of the known device.

В основу изобретения "Устройство для возбуждения электрической дуги переменного тока" поставлена задача путем усовершенствования известного устройства обеспечить первоначальное бесконтактное возбуждение и высокую стабильность дугового разряда, повысить надежность и безопасность работы устройства при его минимальных габаритах и весе. The basis of the invention "Device for excitation of an electric arc of alternating current" is tasked by improving the known device to provide initial contactless excitation and high stability of the arc discharge, to increase the reliability and safety of the device with its minimum dimensions and weight.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для возбуждения электрической дуги переменного тока, содержащем источник питания дуги, импульсный трансформатор, зарядную цепь и разрядный контур, образованный накопительным конденсатором, тиристором и первичной обмоткой импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого включена в сварочную цепь, особенность заключается в том, что импульсный трансформатор снабжен второй высоковольтной вторичной обмоткой, а зарядная цепь состоит из высоковольтного колебательного контура, образованного параллельно включенными конденсатором и индуктивностью, разрядника, разделительного конденсатора и высоковольтного накопительного конденсатора; при этом высоковольтный накопительный конденсатор через разрядник параллельно подключен к высоковольтному колебательному контуру, который включен последовательно с источником питания дуги и параллельно с первой высоковольтной вторичной обмоткой, а разрядник последовательно соединен со второй высоковольтной вторичной обмоткой, параллельно подсоединенной через разделительный конденсатор к источнику питания дуги. The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in a known device for exciting an electric arc of alternating current, containing an arc power source, a pulse transformer, a charging circuit and a discharge circuit formed by a storage capacitor, a thyristor and a primary winding of a pulse transformer, the secondary winding of which is included in welding circuit, the feature is that the pulse transformer is equipped with a second high-voltage secondary winding, and the charging circuit consists of a high-voltage oscillatory circuit formed in parallel by a capacitor and inductance, a spark gap, an isolation capacitor and a high-voltage storage capacitor; in this case, the high-voltage storage capacitor through the arrester is connected in parallel to the high-voltage oscillating circuit, which is connected in series with the arc power source and in parallel with the first high-voltage secondary winding, and the arrester is connected in series with the second high-voltage secondary winding, parallel connected through the isolation capacitor to the arc power source.

Кроме того, в зарядную цепь параллельно источнику питания дуги включена дополнительная схема поджига дуги на постоянном токе, содержащая накопительный конденсатор и цепи заряда и разряда, каждая из которой состоит из диода и резистора. In addition, an additional direct current arc ignition circuit is included in the charging circuit parallel to the arc power source, which contains a storage capacitor and charge and discharge circuits, each of which consists of a diode and a resistor.

Между совокупностью существенных признаков, перечисленных выше из формулы изобретения, и вышеперечисленным техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь:
- предлагаемое конструктивное решение устройства за счет возможности существенного снижения эффективности напряжения импульса поджига дуги обеспечивает безопасность работы с устройством, его надежность и стабильность поджига дуги, позволяет использовать устройство для возбуждения дуги на любых токах без ограничений;
- индуктивность, выполненная в виде катушки, намотанной медной или алюминиевой шиной с шагом без сердечника, мала. Наличие дополнительного напряжения, создаваемого вторичной обмоткой импульсного трансформатора, действующего одновременно с высоковольтными колебаниями, увеличивает время пробоя дугового промежутка и обеспечивает надежное развитие основной дуги. Выбор соотношения между амплитудами высоковольтного импульса и дополнительным импульсом напряжения при заданной динамике источника питания дуги обеспечивает высокую эффективность разбития окисной пленки на алюминии;
- импульсный трансформатор непосредственно не включен в силовую цепь питания дуги, что позволяет выполнить его малых размеров с заданными значениями индуктивностей обмоток;
- наличие дополнительной схемы поджига дуги на постоянном токе способствует увеличению времени пробоя дугового промежутка, необходимого для надежного поджига основной дуги.Between the totality of the essential features listed above from the claims, and the above technical result, there is the following causal relationship:
- the proposed constructive solution of the device due to the possibility of a significant reduction in the voltage efficiency of the arc ignition pulse ensures the safety of the device, its reliability and stability of arc ignition, allows the device to be used to excite the arc at any current without restrictions;
- the inductance, made in the form of a coil wound with a copper or aluminum bus with a pitch without a core, is small. The presence of additional voltage created by the secondary winding of a pulse transformer, acting simultaneously with high-voltage oscillations, increases the breakdown time of the arc gap and ensures reliable development of the main arc. The choice of the ratio between the amplitudes of the high-voltage pulse and the additional voltage pulse for a given dynamics of the arc power source provides high efficiency for breaking the oxide film on aluminum;
- a pulse transformer is not directly included in the power supply circuit of the arc, which allows it to be small in size with specified values of the inductances of the windings;
- the presence of an additional circuit for igniting the arc at constant current increases the breakdown time of the arc gap, necessary for reliable ignition of the main arc.

Достижение указанного выше технического результата возможно при наличии совокупности всех существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, при отсутствии одного из них технический результат достигнут быть не может. The achievement of the above technical result is possible if there is a combination of all the essential features set forth in the claims, in the absence of one of them, the technical result cannot be achieved.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information, and the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. The definition from the list of identified analogues of the prototype as the closest in the aggregate of essential features made it possible to identify a set of essential distinguishing features in relation to the applicant's technical result in the claimed device set forth in the claims.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна". Therefore, the claimed invention meets the condition of "novelty."

На фиг.1 дана принципиальная электрическая схема устройства. Figure 1 is a circuit diagram of the device.

На фиг. 2 - принципиальная электрическая схема дополнительного поджига дуги на постоянном токе. In FIG. 2 is a circuit diagram of an additional ignition of a direct current arc.

Устройство состоит из источника питания дуги 1, импульсного трансформатора 2, который имеет одну первичную обмотку 3 и две вторичные обмотки 4 - 5. Разрядный контур образован накопительным конденсатором 6, тиристором 7 и первичной обмоткой 3 импульсного трансформатора 2. Зарядная цепь содержит высоковольтный колебательный контур 8, образованный параллельно включенным конденсатором 9 и индуктивностью 10, разрядник 11, разделительный конденсатор 12 и высоковольтный накопительный конденсатор 13. The device consists of a power source for the arc 1, a pulse transformer 2, which has one primary winding 3 and two secondary windings 4 to 5. The discharge circuit is formed by a storage capacitor 6, a thyristor 7 and a primary winding 3 of a pulse transformer 2. The charging circuit contains a high-voltage oscillating circuit 8 formed in parallel by a capacitor 9 and an inductance 10, a spark gap 11, an isolation capacitor 12, and a high voltage storage capacitor 13.

Высоковольтный накопительный конденсатор 13 через разрядник 11 параллельно подключен к высоковольтному колебательному контуру 8, который включен последовательно с источником питания дуги 1 и параллельно через разрядник 11 с первой высоковольтной вторичной обмоткой 4 импульсного трансформатора 2. Разрядник 11 последовательно соединен со второй высоковольтной вторичной обмоткой 5 импульсного трансформатора 2, которая параллельно подсоединена к источнику питания дуги 1 через разделительный конденсатор 12. The high-voltage storage capacitor 13 through the arrester 11 is connected in parallel to the high-voltage oscillatory circuit 8, which is connected in series with the arc supply 1 and in parallel through the arrester 11 with the first high-voltage secondary winding 4 of the pulse transformer 2. The arrester 11 is connected in series with the second high-voltage secondary winding 5 of the pulse transformer 2, which is connected in parallel to the power source of the arc 1 through an isolation capacitor 12.

На чертеже также показаны горелка 14, изделие 15, источник питания устройства 16 и схема управления тиристором 17. The drawing also shows the burner 14, the product 15, the power source of the device 16 and the control circuit of the thyristor 17.

Кроме того, в зарядную цепь параллельно источнику питания дуги 1 включена дополнительная схема поджига дуги на постоянном токе, содержащая накопительный конденсатор 18 и две цепи заряда и разряда, каждая из которых состоит из резистора 19-20 и диода 21- 22. In addition, in the charging circuit parallel to the arc power source 1, an additional direct current arc ignition circuit is included, containing a storage capacitor 18 and two charge and discharge circuits, each of which consists of a resistor 19-20 and a diode 21-22.

Работает устройство следующим образом. The device operates as follows.

Накопительный конденсатор 6 (фиг. 1) заряжается через первичную обмотку 3 импульсного трансформатора 2 от источника питания устройства 21 до напряжения 500 В. На управляющий электрод тиристора 7 со схемы управления тиристором 17 подаются импульсы управления частотой 100 Гц, фазированные с напряжением источника питания дуги 1. Тиристор 7 включается и обеспечивает разряд накопительного конденсатора 6 через первичную обмотку 3 импульсного трансформатора 2. Колебательный процесс в контуре - накопительный конденсатор 6, тиристор 7, первичная обмотка 3 импульсного трансформатора 2 - обеспечивает запирание тиристора 7, а накопительный конденсатор 6 заряжается от источника питания устройства до 500 В до прихода очередного импульса управления тиристором 7. The storage capacitor 6 (Fig. 1) is charged through the primary winding 3 of the pulse transformer 2 from the power supply device 21 to a voltage of 500 V. The control electrode of the thyristor 7 from the control circuit of the thyristor 17 is supplied with control pulses of a frequency of 100 Hz, phased with the voltage of the power source of the arc 1 The thyristor 7 is turned on and provides the discharge of the storage capacitor 6 through the primary winding 3 of the pulse transformer 2. The oscillation process in the circuit is a storage capacitor 6, thyristor 7, the primary winding 3 mpulsnogo transformer 2 - ensures locking of thyristor 7, and the storage capacitor 6 is charged from a source device to a power supply 500 before the arrival of the next control pulse thyristor 7.

Во время разряда накопительного конденсатора 6 на второй высоковольтной вторичной обмотке 5 импульсного трансформатора 2 возникает импульс напряжения амплитудой 10 кВ и обеспечивается заряд высоковольтного накопительного конденсатора 13. При достижении на высоковольтном накопительном конденсаторе 13 напряжения пробоя разрядника 11 порядка 6 - 8 кВ, разрядник 11 пробивается, высоковольтный накопительный конденсатор 13 разряжается на высокочастотный колебательный контур 8, образованный конденсатором 9 и индуктивностью 10, и в высоковольтном колебательном контуре 8 возбуждается высокочастотное высоковольтное колебание. Высоковольтный колебательный контур 8 включен последовательно с источником питания дуги 1 и возникающие высокочастотные высоковольтные колебания в высоковольтном колебательном контуре 8 обеспечивают пробой дугового промежутка. Через индуктивность 10 протекает также и ток основной дуги, значения которого порядка 300 - 500 А, поэтому индуктивность 10 выполнена в виде катушки, намотанной медной или алюминиевой шиной и шагом без сердечника. During the discharge of the storage capacitor 6 on the second high-voltage secondary winding 5 of the pulse transformer 2, a voltage pulse with an amplitude of 10 kV occurs and the charge of the high-voltage storage capacitor 13 is provided. When the breakdown voltage of the arrester 11 reaches 6 to 8 kV on the high-voltage storage capacitor 13, the arrester 11 breaks through, the high-voltage storage capacitor 13 is discharged to a high-frequency oscillating circuit 8 formed by a capacitor 9 and an inductance 10, and in the high-voltage to vibrational circuit 8 is excited by high-frequency high-voltage fluctuation. The high-voltage oscillatory circuit 8 is connected in series with the power source of the arc 1 and the resulting high-frequency high-voltage oscillations in the high-voltage oscillatory circuit 8 provide a breakdown of the arc gap. The main arc current also flows through the inductance 10, the values of which are of the order of 300 - 500 A, therefore, the inductance 10 is made in the form of a coil wound with a copper or aluminum bus and a step without a core.

Собственная индуктивность такой катушки мала и, соответственно, время, в течение которого дуговой промежуток оказывается пробитым, недостаточно для развития основной дуги. Именно поэтому параллельно источнику питания дуги 1 через разделительный конденсатор 12 подключена вторая высоковольтная вторичная обмотка 5 импульсного трансформатора 2, на которой во время разряда накопительного конденсатора 6 создаются импульсы напряжения 500 В, длительность которых значительно превышает период высоковольтных высокочастотных колебаний. Наличие дополнительного напряжения, создаваемого второй высоковольтной вторичной обмоткой 5 импульсного трансформатора 2, действующего одновременно с высоковольтными колебаниями, увеличивает время пробоя дугового промежутка и обеспечивает надежное развитие основной дуги. Выбор соотношения между амплитудами высоковольтного импульса и дополнительным импульсом напряжения при заданной динамике источника питания дуги 1 обеспечивает высокую эффективность развития окисной пленки на алюминии. Поскольку конструктивно импульсный трансформатор 2 непосредственно не включен в силовую цепь питания дуги, это позволяет выполнить его малых размеров с заданными значениями индуктивностей обмоток, что обеспечивает надежную работу схемы. Исполнение индуктивности 10 в виде катушки без сердечника и включение ее в силовую цепь позволяет использовать заявляемое устройство для возбуждения дуги на любых токах без ограничений. The intrinsic inductance of such a coil is small and, accordingly, the time during which the arc gap is broken is not enough for the development of the main arc. That is why, in parallel with the arc power source 1, a second high-voltage secondary winding 5 of the pulse transformer 2 is connected through the isolation capacitor 12, on which 500 V voltage pulses are generated during the discharge of the storage capacitor 6, the duration of which significantly exceeds the period of high-voltage high-frequency oscillations. The presence of additional voltage created by the second high-voltage secondary winding 5 of the pulse transformer 2, acting simultaneously with high-voltage oscillations, increases the breakdown time of the arc gap and ensures reliable development of the main arc. The choice of the ratio between the amplitudes of the high-voltage pulse and the additional voltage pulse for a given dynamics of the power source of the arc 1 provides high efficiency of the development of an oxide film on aluminum. Since the structurally pulse transformer 2 is not directly connected to the power supply circuit of the arc, this allows it to be made small in size with the specified values of the inductances of the windings, which ensures reliable operation of the circuit. The performance of the inductance 10 in the form of a coil without a core and its inclusion in the power circuit allows you to use the inventive device to excite the arc at any current without restrictions.

Источник питания дуги 1 обычно имеет значительно большее время развития основного разряда, что объясняется наличием значительно большей индуктивности силовой цепи. А значит, и длительности пробоя дугового промежутка недостаточно для развития основной дуги. The power source of the arc 1 usually has a significantly longer development time of the main discharge, which is explained by the presence of a much larger inductance of the power circuit. This means that the breakdown time of the arc gap is not enough for the development of the main arc.

Для увеличения времени пробоя дугового промежутка включена дополнительная цепь поджига дуги на постоянном токе (фиг.2), которая в промежутках между пробоями заряжается до напряжения холостого хода источника питания дуги 1 и при пробое дугового промежутка (с 5 разряжается) поддерживает разряд на время, необходимое для надежного поджига основной дуги. Заряд происходит по цепи : диод 21 - резистор 19 - резистор 20. Накопительный конденсатор 18 заряжается от источника питания 1. Разряд накопительного конденсатора 18 происходит по цепи: резистор 20 - диод 22 - дуговой промежуток. В результате поддерживается дуга на период времени, необходимый для развития основной дуги по схеме на фиг. 1. To increase the breakdown time of the arc gap, an additional constant-current arc ignition circuit is included (Fig. 2), which in the intervals between breakdowns is charged to the open circuit voltage of the power source of arc 1 and during the breakdown of the arc gap (with 5 discharges), it maintains a discharge for the time required for reliable ignition of the main arc. The charge occurs through the circuit: diode 21 - resistor 19 - resistor 20. The storage capacitor 18 is charged from the power source 1. The discharge of the storage capacitor 18 occurs through the circuit: resistor 20 - diode 22 - the arc gap. As a result, the arc is maintained for the period of time necessary for the development of the main arc according to the scheme in FIG. 1.

Таким образом, упрощение конструкции устройства для возбуждения электрической дуги переменного тока позволило повысить надежность его работы и обезопасить работу сварщика, снижены масса и габариты устройства, а также затраты труда на его изготовление. Thus, the simplification of the design of the device for the excitation of an electric arc of an alternating current made it possible to increase the reliability of its operation and secure the work of the welder, the mass and dimensions of the device, as well as the labor costs for its manufacture, are reduced.

Claims

1. Device for exciting an AC electric arc, containing an arc power source, a pulse transformer, a charging circuit and a discharge circuit formed by a storage capacitor, a thyristor and a primary winding of a pulse transformer, the secondary high-voltage winding of which is included in the welding circuit, characterized in that the pulse transformer equipped with a second high-voltage secondary winding, and the charging circuit consists of a high-voltage oscillatory circuit formed in parallel the capacitor and inductance of the arrester, the isolation capacitor and the high voltage storage capacitor, while the high voltage storage capacitor through the arrester is connected in parallel to a high voltage oscillating circuit, which is connected in series with the arc power source and in parallel with the first high voltage secondary winding, and the arrester is connected in series with the second high voltage secondary winding connected in parallel through an isolation capacitor to a power supply and.

2. The device according to claim 1, characterized in that the charging circuit parallel to the arc power source includes an additional direct current arc ignition circuit containing a storage capacitor and charge and discharge circuits, each of which consists of a diode and a resistor.