RU23587U1 - Источник питания для дуговой сварки - Google Patents

Abstract

Источник питания для дуговой сварки, содержащий первый и второй выпрямители, параллельно подсоединенные к выходам источника питания, и однофазный трансформатор с двухстержневым магнитопроводом, двумя ярмами, окном магнитопровода и подвижным магнитным шунтом, имеющий первичную и первую и вторую вторичные обмотки, первая из которых соединена с первым выпрямителем, а вторая вторичная обмотка - со вторым выпрямителем, причем первый и второй выпрямители выполнены на основе неуправляемых вентилей, а первичная и каждая вторичная обмотки выполнены в виде двух последовательно и согласно соединенных секций, при этом на каждом стержне магнитопровода друг над другом расположены секция первичной обмотки и первая секция одной из вторичных обмоток, а вторая секция этой вторичной обмотки расположена поверх указанной секции первичной обмотки, отличающийся тем, что первые равновысокие секции первичной и первой вторичной обмоток расположены на одинаковом расстоянии от одного ярма магнитопровода, а равновысокие секции вторая первичной и первая второй вторичной обмоток - на одинаковом расстоянии от другого ярма, причем между первыми секциями первичной и первой вторичной обмоток и второй секцией первичной и первой секцией второй вторичной обмоток в окне магнитопровода установлен подвижный магнитный шунт.

Description

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Полезная модель относится к сварке и может быть использована в установках для дуговой сварки.

Известны источники питания для дуговой сварки, содержащие трансформатор, один неуправляемый выпрямитель и сглаживающий дрюссель Патон Б.Е.., Лебедев В.К. Электрооборудование для дуговой и контактной сварки. Машиностроение, М.,1966 и Закс М.И. Сварочные выпрямители. Энергоатомиздат, Л., 1983.. Они просты и надёжны в эксплуатации, однако имеют повышенную массу меди и потребляют большую мощность из электрической сети. Для снижения этих показателей довольно часто в таких установках используют импульсные стабилизаторы дуги и другие устройства, обеспечивающие повышенное напряжение на дуговом промежутке при зажигании дуги Пентегов И.В., Латанский В.П., Склифос В.В. Малогабаритные источники питания с улучшенными энергетическими показате.11ями. В сб. «Новые сварочные источники питания. Киев, 1992.. Кроме того, используются источники питания, в которых имеются два параллельно соединённых управ.ляемых или неуправляемых моста, подключенных параллельно нагрузке, один из которых имеет повьш1енное напряжение холостого хода, необходимое для зажигания дуги А.с. СССР № 1687392, кл. В23 К 9/00, 1988г и Бродягин В.Н., Гужавин А.А., Юркевич А.М. Разработка однофазных источников питания для дуговой сварки. В сб. трудов ВНИИ МСС. М.:1997, с. 42-46. Недостатками этих источников являются низкая надёжность, трудность ремонта, что связано с использованием в них электронных схем и сложных систем з фавления ими. Некоторые из перечисленных источников, не имеющие электронных схем, отличаются повышенными массогабаритными показателями.

В качестве прототипа полезной модели выбран источник питания для дуговой сварки, содержащий однофазный трансформатор с двумя стержнями, двумя секциями первичной обмотки, расположенными на разных стержнях, и двумя вторичными обмотками, каждая

- f t l34372

из которых состоит из двух секций Патент РФ № 2141888 на изобретение «Источник питания для дуговой сварки Комарчёв А.И., Сахно Л.И., Сахно О.И., Фёдоров П.Д. Бюл. №33, 1999. Вторые секции вторичных обмоток расположены поверх разных секций первичной обмотки. Первые равновысокие секции вторичной обмотки расположены на одинаковом расстоянии от одного ярма магнитопровода, а равновысокие секции первичной обмотки - на одинаковом расстоянии от другого ярма. Напряжение холостого хода одной вторичной обмотки составляет 60 - 70 В, другой - в 1,5 - 2 раза меньше. Первая из обмоток с подключенным к ней вспомогательным вьшрямителем служит для возбуждения и устойчивого горения дуги, другая обмотка и основной выпрямитель обеспечивают рабочий ток при сварке. Регулирование сварочного тока осуществляется с помощью подвижного магнитного шунта, расположенного в окне магнитопровода между первичной и первыми секциями вторичных обмоток.

Несмотря на то, что первые секции вторичных обмоток, имеющие повышенную индуктивность рассеяния, конструктивно разнесены на разные стержни, взаимодействие потоков рассеяния этих обмоток влияет на токи в них. В результате при прохождении тока порядка 30 А по обмотке вспомогательного выпрямителя напряжение холостого хода (хх) на обмотке основного выпрямителя UXXOB снижается на 20 - 30%, что затрудняет по.л5таение крутопадающей внешней характеристики выпрямителя при низких значениях этого напряжения, в особенности при увеличении рабочего (сварочного) тока выпрямителя Комарчёв А.И., Сахно Л.И., Сахно О.И., Фёдоров П.Д. Исследования трансформаторов контактных электросварочных машин с инверторными источниками питания. В сб. Современные проблемы и достижения в области электротехнологий в XXI веке. Часть 2.// Материалы международной научно-технической конференции 4-5 апреля 2001 года. - СПб.: Издательство СПбГТУ, 2001. - 206с (с.90-98). С другой стороны, при малых токах, когда шунт полностью вдвинут в магаитопровод, снижение напряжения хх на обмотке основного выпрямителя при прохождении тока по обмотке вспомогательного

выпрямителя увеличивается еще приблизительно на 20% по сравнению с вьщвинутым шунтом из-за усиления взаимного влияния магнитных полей вторичных обмоток. При низких значения напряжения хх основного выпрямителя это может привести к неустойчивому горению дуги в области малых токов и, следовательно, к ограничению диапазона регулирования сварочного тока выпрямителя.

Недосгатками этого источника являются повышенные масса и габариты, и ограничение диапазона регулирования сварочного тока.

В основу полезной модели положена задача создать источник питания для дуговой сварки, обеспечивающий высокие сварочно-технологические свойства в щироком диапазоне изменения сварочного тока (лёгкость зажигания дуги, её устойчивое горение, малое разбрызгивание металла) при низком уровне потребляемой из сети мощности и высокой надёжности работы. Источник должен быть прост в изготовлении, иметь сниженные массогабаритные показатели, обеспечивать возможность плавного регулирования тока.

Поставленная задача решается тем, что источник питания для дуговой сварки, содержащий первый и второй выпрямители, параллельно подключенные к дуговому промежутку, и однофазный трансформатор с двухстержневым магнитопроводом, ярмами, окном магнитопровода и подвижным магнитным шунтом, имеющий первичную и первую и вторую вторичные обмотки, первая из которых соединена с первым выпрямителем, а вторая вторичная обмотка - со вторым выпрямителем, причем первый и второй выпрямители выполнены на основе неуправляемых вентилей, а первичная и каждая вторичная обмотки вьшолнены в виде двух последовательно и согласно соединённых секций, при этом на каждом стержне магнитопровода друг над дрзтом расположены секция первичной обмотки и первая секция одной из вторичных обмоток, вторая секция которой расположена поверх указанной секции первичной обмотки. Согласно полезной модели, первые секции первичной и первой вторичной обмотки

расположены на одинаковом расстоянии от одного ярма магнитопровода, а вторая секция первичной и первая секция второй вторичной обмоток - на одинаковом расстоянии от другого ярма. Для обеспечения плавного регулирования сварочного тока первые секции первичной и первой вторичной обмоток выполняются равновысокими. Кроме того, равновысокими выполняются вторая секция первичной и первая секция второй вторичной обмоток, а между указанными группами равновысоких секций обмоток в окне магнитопровода располагается магнитный шунт.

В заявляемом источнике первые секции вторичных обмоток, соединённые с основным и вспомогательным выпрямителями, располагаются на разных стержнях магнитопровода напротив соответствующих секций первичной обмотки, а не напротив друг друга, как это сделано в прототипе. Проведённые эксперименты показали, что такое расположение обмоток приводит к увеличению напряжения хх обмотки основного выпрямителя при прохождении тока по обмотке вспомогательного выпрямителя, а не к его снижению, как в прототипе. Например, при прохождении тока порядка 30 А по обмотке вспомогательного выпрямителя напряжение хх первой секции обмотки основного выпрямителя увеличивается почти на 20%. Это даёт возможность получить заданный рабочий ток и крутопадающую внешнюю характеристику выпрямителя при более низком, чем в прототипе, значении напряжения хх основного выпрямителя и, следовательно, снизить массу и габариты выпрямителя. Опыт показал, что повышение UXXOB при прохождении тока по обмотке вспомогательного вьшрямителя повышает устойчивость горения дуги при полностью вдвинутом магнитном шунте.

Физическое явление, которое лежит в основе настоящей полезной модели, можно объяснить, проанализировав уравнения равновесия эдс трехобмоточного трансформатора, данные, например, в известном источнике Петров Г.Н. Электрические машины, в трёх част часть 1. М., Энергия, 1974. на стр. 127, формулы (2-158), (2-159). Все параметры

и, + U2 - Ь ZK12 - 1з Zl

Ui + U3 -l3ZKi3 -bZi

(1)

где Ui - напряжение xx первичной обмотки, 12,1з - токи во вторичных обмотках 2 и 3, U2, Оз - напряжение на нагрузках обмоток 2 и 3,

ZK12 - сопротивление, найденное из опыта короткого замыкания (кз) обмотки 2 при разомкнутой обмотке 3, ZK13 - сопротивление, найденное из опыта кз обмотки 3 при разомкнутой обмотке 2.

Zi /2(ZKl2+ZKl3-Z,c23)(2)

ZK23 - сопротивление кз обмотки 2 при питании со стороны обмотки 3 и разомкнутой обмотке 1.

Для удобства изложения назовём обмотку вспомогательного выпрямителя обмоткой 2 трехобмоточного трансформатора, данного в известном источнике Петров Г.Н. Электрические машины, в трёх частях, часть 1. М., Энергия, 1974., а обмотку основного выпрямителя - обмоткой 3 и приведём параметры первого из уравнений (1) к виткам обмотки 2, а параметры второго - к виткам обмотки 3:

т // 7 1 л. II 7 II т II 12 2к12 + 1з 1 + U2

III 7 /// -L т 7 Ч 4- ТТ АЗ Al3 +12 1 + из

где Ехх2 - Uxx2, ЕххЗ - Uxx3,

(3)

Из зфавнений (3) видно, что при протекании тока по обмотке 2 вспомогательного выпрямителя и разомкнутой обмотке 3 основного выпрямителя напряжение на её зажимах Us Еххз - Ь Z/ может быть больше или меньше напряжения хх Uxxs в зависимости от знака сопротивления Zi. Знак Ъ в свою очередь зависит от соотношения параметров , 2к1з и в формуле (2). В заявляемом источнике первые секции обмоток основного и вспомогательного выпрямителей расположены на значительном расстоянии друг от друга, поэтому Zsia + ZKIS 2к2з и Zi 0. Следовательно, прохождение тока по обмотке 2 вспомогательного выпрямителя приводит к повышению напряжения на зажимах первой секции обмотки 3 основного выпрямителя из Еххз + 12 |Zi|. В прототипе первые секции обмоток расположены относительно близко друг к другу, поэтому + ZKIB ZK23 и Zi 0. в этом случае прохождение тока по обмотке вспомогательного выпрямителя приводит к снижению напряжения на зажимах первой секции обмотки основного выпрямителя Из Ёххз - i2lZil, а не к его увеличению, как в заявляемом источнике.

В заявляемом источнике первые секции вторичных обмоток имеют повышенную индуктивность рассеяния, что обеспечивает ограничение тока короткого замыкания. Повышенное рассеяние достигается тем, что каждая из указанных секций расположена на разных стержнях с одной их секций первичной обмотки и разнесена по стержню на некоторое расстояние с другой секцией первичной обмотки, с которой она находится на одном стержне. Вторые секции вторичных обмоток расположены концентрически с одной из секций первичной обмотки, поэтому их индуктивность рассеяния пренебрежимо мала по сравнению с индуктивностями рассеяния первых секций вторичных обмоток. Эти секции используются только для получения требуемого напряжения хх основного и вспомогательного выпрямителей.

второй вторичной обмоток на одинаковом расстоянии от другого ярма даёт возможность перемещать в окне магнитопровода между первыми секциями первичной и первой вторичной обмоток, с одной стороны, и второй секцией первичной и первой секцией второй вторичной обмоток, с другой стороны, магнитный шунт, что позволяет одновременно плавно регулировать ток как основного, так и вспомогательного выпрямителей. При ступенчатом регулировании сварочного тока соотношение между высотами секций первичной и вторичных обмоток могут быть произвольными.

В заявляемом источнике выпрямленный ток не спадает до нуля в процессе горения дуги благодаря сдвигу фаз между токами основного и вспомогательного выпрямителей. Это условие является основным для обеспечения устойчивого горения дуги. Сдвиг фаз достигнут за счет существенной разницы количества витков первых секций вторичных обмоток.

Снижение массогабаритных показателей достигнуто за счет снижения напряжения холостого хода основного выпрямителя. Расширение диапазона регулирования сварочного тока достигнуто за счет повьппения устойчивости горения дуги при полностью вдвинутом в магнитопровод шунте вследствие повышения Uxx основного выпрямителя.

Полезная модель поясняется тремя фигурами. На Фиг.1 представлена электрическая схема заявляемого источника, на Фиг.2 - его внешняя характеристика, в том числе внешние характеристики основного и вспомогательного выпрямителей, на Фиг.З осциллограммы токов в заявляемом источнике.

Заяв.11яемый источник питания содержит однофазный трансформатор 1, имеющий двухстержневой магнитопровод 2 с окном 3 и ярмами 4,5. Первичная обмотка имеет две последовательно и согласно соединённые секции 6,7, расположенные на разных стержнях магнитопровода. Вторичная обмотка, имеющая последовательно и согласно соединённые секции 8,9, подключена к основному выпрямителю 10, а вторичная обмотка, имеющая

последовательно и согласно включенные секции 11,12, подключена к вспомогательному выпрямителю 13. Выпрямители подключены параллельно дуговому промежутку 14. Для плавного регулирования сварочного тока в окне магнитопровода 3 установлен магнитный шунт 15.

Источник питания работает следующим образом. После включения первичной обмотки, состоящей из секций 6,7, на выходах выпрямителей 10,13 устанавливается постоянное напряжение, по величине близкое к напряжению холостого хода обмотки, состоящей из секций 11,12. При замыкании дугового промежутка 14 ток в нём нарастает до рабочего значения в соответствии с внешней характеристикой 16, представленной на Фиг.2. Ток в дуговом промежутке 14 суммируется из двух токов - тока вспомогательного выпрямителя 13 и тока основного выпрямителя 10, внешние характеристики которых соответственно 18 и 17 представлены на Фиг.2.

Напряжение холостого хода вспомогательного выпрямителя составляет (для примера) 65 В, основного - 40 В. Поэтому в начальный период зажигания дуги основной выпрямитель большую часть времени заперт более высоким напряжением вспомогательного выпрямителя и основная составляющая часть тока дугового промежутка состоит из тока вспомогательного выпрямителя. Затем при увеличении тока дугового промежутка напряжение на выходе вспомогательного выпрямителя снижается и в рабочей точке (U 26 В, I 150 А) основную часть тока нагрузки даёт основной выпрямитель 10, что объясняется более высоким индуктивным сопротивлением вторичной обмотки секции 12 по сравнению со вторичной обмоткой секции 9.

Основной выпрямитель 10 включается при напряжениях, превьшхающих 40 В, что объясняется как сдвигом фаз токов основного 10 и вспомогательного 13 выпрямителей, так и повышением напряжения холостого хода на зажимах секции 9 при прохождении тока по секциям 11,12 вспомогательного выпрямителя.

На Фиг.З даны зависимости от времени тока 19 в дуговом промежутке, тока 20 основного выпрямителя и тока 21 вспомогательного выпрямителя. Они показывают, что в заявляемом источнике достигнут фазовый сдвиг между токами основного и вспомогательного выпрямителей, поэтому ток дуги не спадает до нуля и дуга горит устойчиво.

Таким образом, двухстержневой трансформатор, на котором определённым образом расположены пары последовательно и согласно соединённых секций первичной и двух вторичных обмоток, причем вторичные обмотки имеют разное количество вигков и подключены к двум параллельно соединённым выпрямителям, в заявляемом источнике проявил следзтощие свойства:

-увеличение напряжения холостого хода секции 9 обмотки соединённой с основным выпрямителем;

-обеспечение сдвига фаз токов основного и вспомогательного выпрямителей;

-возможность одновременно плавно регулировать токи основного и вспомогательного выпрямителей;

-улучшение устойчивости горения дуги при полностью вдвинутом в магнитопровод магнитном шунте.

Эффективность заявляемого вьшрямителя подтверждается следз ющим примером. На базе серийно выпускаемого бытового сварочного выпрямителя ВСБ-101 Выпрямитель сварочный бытовой ВСБ-101, рекламный проспект АО «Электрик, СПб, - аналога авторами разработан макет источника питания для ручной дуговой сварки, содержащий два параллельно соединённых неуправляемых выпрямителя, один из которых обеспечивает зажигание дуги, а другой рабочий ток. Трансформатор имеет двухсгержневой магнитопровод и магнитный шунт. Напряжение холостого хода источника составляет 65 В, отношение тока короткого замыкания 1,5. Регулирование сварочного тока плавное от 60 до 150 А (у аналога от 40 до 100 А). Продолжительность

HaqjysKH при токе 130 А (у аналога при токе 100 А). Испытания источника показали его высокие сварочно-технологические свойства - лёгкость зажигания и устойчивость горения дуги, малое разбрызгивание металла, высокую эластичность дуги. Достигнут низкий уровень потребления мощности из сети, например, при рабочем токе 100 А сетевой ток не превышает 21 А (у аналога 36 А). Масса макета 32 кг, аналога - 50 кг.

По сравнению с прототипом заявляемый источник имеет следующие преимущества: -снижение массогабаритных показателей установки; -расширение диапазона регулирования сварочного тока.

По сравнению с аналогом масса выпрямителя снижена приблизительно на 50% при повьштении номинального тока на 30% и увеличении ПН в 3 раза. Кроме того, снижен ток, потребляемый из сети.

Таким образом, заявляемый источник обеспечивает снижение массогабаритных показателей установки, высокие сварочно-технологические свойства при низком зфовне потребляемой из сети мощности и плавном регулировании сварочного тока в широком диапазоне.

Claims (1)

1. Источник питания для дуговой сварки, содержащий первый и второй выпрямители, параллельно подсоединенные к выходам источника питания, и однофазный трансформатор с двухстержневым магнитопроводом, двумя ярмами, окном магнитопровода и подвижным магнитным шунтом, имеющий первичную и первую и вторую вторичные обмотки, первая из которых соединена с первым выпрямителем, а вторая вторичная обмотка - со вторым выпрямителем, причем первый и второй выпрямители выполнены на основе неуправляемых вентилей, а первичная и каждая вторичная обмотки выполнены в виде двух последовательно и согласно соединенных секций, при этом на каждом стержне магнитопровода друг над другом расположены секция первичной обмотки и первая секция одной из вторичных обмоток, а вторая секция этой вторичной обмотки расположена поверх указанной секции первичной обмотки, отличающийся тем, что первые равновысокие секции первичной и первой вторичной обмоток расположены на одинаковом расстоянии от одного ярма магнитопровода, а равновысокие секции вторая первичной и первая второй вторичной обмоток - на одинаковом расстоянии от другого ярма, причем между первыми секциями первичной и первой вторичной обмоток и второй секцией первичной и первой секцией второй вторичной обмоток в окне магнитопровода установлен подвижный магнитный шунт.