RU2801384C1

RU2801384C1 - Welding machine

Info

Publication number: RU2801384C1
Application number: RU2022133426A
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Шуваев
Original assignee: Юрий Николаевич Шуваев
Filing date: 2022-12-19
Publication date: 2023-08-08

Abstract

FIELD: welding equipment.

SUBSTANCE: welding machine contains a magnetic starter, a bridge rectifier connected to the mains through the contacts of the magnetic starter and ballast non-polar capacitors, a series-connected storage capacitor and a key regulating transistor of a switching voltage stabilizer are connected to the output of the bridge rectifier, the first output terminal of the device is connected to the positive terminal of the storage capacitor, its second output terminal is connected through a smoothing choke to the negative terminal of the storage capacitor, an output of the switching voltage regulator control device is connected to the control input of the key control transistor, the switching voltage regulator control device consisting of a pulse-width modulator, an operational amplifier and a comparison unit. Ultra-high electrical energy capacitors are used as a storage capacitor and non-polar ballast capacitors.

EFFECT: reduced dimensions and weight of the apparatus, as well as increased efficiency.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании и разработке электросварочного оборудования.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular converter technology, and can be used in the design and development of electric welding equipment.

Известны различные схемы электросварочных аппаратов, содержащие силовой трансформатор, электромагнитное регулирующее устройство, нерегулируемый или регулируемый выпрямитель с устройством управления и сглаживающий дроссель [1, 2]. Недостатками известных сварочных аппаратов являются большие объем и масса и низкий КПД.Various circuits of electric welding machines are known, containing a power transformer, an electromagnetic control device, an unregulated or adjustable rectifier with a control device and a smoothing choke [1, 2]. The disadvantages of the known welding machines are large volume and weight and low efficiency.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, которое может быть условно принято за прототип, является сварочный аппарат, содержащий силовой трансформатор, регулирующее устройство, мостовой выпрямитель и сглаживающий дроссель [1]. Основными недостатками этого аппарата также являются большие объем и масса трансформатора и регулирующего устройства и низкий КПД.The closest to the proposed technical solution, which can be conditionally taken as a prototype, is a welding machine containing a power transformer, a control device, a bridge rectifier and a smoothing choke [1]. The main disadvantages of this device are also the large volume and mass of the transformer and control device and low efficiency.

В предлагаемом сварочном аппарате решена задача снижения объема и массы входящих в него элементов и повышение КПД. Для достижения технического результата из схемы исключен силовой трансформатор и заменен балластными и накопительным конденсаторами сверхвысокой электрической энергии, в качестве регулирующего устройства применен импульсный стабилизатор напряжения, содержащий ключевой регулирующий транзисторный элемент и устройство управления, обеспечивающее стабилизацию выходного напряжения аппарата. В схеме применены импульсные конденсаторы (молекулярные накопители) сверхвысокой электрической энергии [3, 4, 6].In the proposed welding machine, the problem of reducing the volume and mass of its constituent elements and increasing the efficiency is solved. To achieve a technical result, a power transformer was excluded from the circuit and replaced with ballast and storage capacitors of ultra-high electrical energy; a pulsed voltage regulator was used as a control device, containing a key control transistor element and a control device that stabilizes the output voltage of the apparatus. The circuit uses pulse capacitors (molecular storage) of ultrahigh electrical energy [3, 4, 6].

На фиг. 1 представлена структурная схема сварочного аппарата.In FIG. 1 shows a block diagram of the welding machine.

Сварочный аппарат содержит магнитный пускатель 1, однофазный или трехфазный мостовой выпрямитель 2, сглаживающий дроссель 3, включенный в выходную цепь, а также балластные неполярные конденсаторы 4 и накопительный конденсатор сверхвысокой электрической энергии 5, импульсный стабилизатор напряжения, состоящий из ключевого регулирующего транзисторного элемента 6, устройства управления и вспомогательного источника питания 7.The welding machine contains a magnetic starter 1, a single-phase or three-phase bridge rectifier 2, a smoothing choke 3 included in the output circuit, as well as ballast non-polar capacitors 4 and a storage capacitor of ultrahigh electrical energy 5, a switching voltage regulator, consisting of a key regulating transistor element 6, a device control and auxiliary power supply 7.

Входные выводы мостового выпрямителя 2 подключены к питающей сети через контакты магнитного пускателя 1 и балластные конденсаторы 4 в каждой фазе питающей сети, к положительному выводу мостового выпрямителя 2 подключен положительный вывод накопительного конденсатора 5 и положительный выходной зажим 8 аппарата, а отрицательный вывод мостового выпрямителя 2 подключен к отрицательному силовому выводу ключевого регулирующего транзисторного элемента 6 импульсного стабилизатора напряжения, положительный силовой вывод ключевого элемента 6 подключен к отрицательному выводу накопительного конденсатора 5 и через сглаживающий дроссель 3 - к отрицательному выходному зажиму 9 аппарата.The input terminals of the bridge rectifier 2 are connected to the mains through the contacts of the magnetic starter 1 and ballast capacitors 4 in each phase of the mains, the positive terminal of the storage capacitor 5 and the positive output terminal 8 of the device are connected to the positive terminal of the bridge rectifier 2, and the negative terminal of the bridge rectifier 2 is connected to the negative power output of the key regulating transistor element 6 of the pulse voltage stabilizer, the positive power output of the key element 6 is connected to the negative output of the storage capacitor 5 and through the smoothing choke 3 to the negative output terminal 9 of the device.

В однофазном сварочном аппарате используется один балластный конденсатор 4, а в трехфазном - три конденсатора. В качестве накопительного конденсатора выбран импульсный конденсатор сверхвысокой электрической энергии [3, 4], а вместо одного неполярного балластного конденсатора 4 могут быть применены два включенных встречно-последовательно импульсных конденсатора.In a single-phase welding machine, one ballast capacitor 4 is used, and in a three-phase welding machine, three capacitors are used. A pulse capacitor of ultrahigh electrical energy [3, 4] was chosen as a storage capacitor, and instead of one non-polar ballast capacitor 4, two pulse capacitors connected back-to-back in series can be used.

Параллельно балластным 4 и накопительному 5 конденсаторам могут быть включены балластные резисторы 21, 22, обеспечивающие снижение амплитуды импульсов напряжения при переходных процессах.Ballast resistors 21, 22 can be connected in parallel with ballast 4 and storage 5 capacitors, providing a reduction in the amplitude of voltage pulses during transients.

Устройство управления импульсного стабилизатора напряжения состоит из широтно-импульсного модулятора, включающего в себя задающий генератор 10, генератор пилообразного напряжения 11 и компаратор 12, а также согласующего устройства 13, источника заданного напряжения 14, операционного усилителя 15, источника опорного напряжения 16, делителя выходного напряжения 17, времязадающей RC-цепочки 18 и разделительных диодов 19 и 20.The switching voltage regulator control device consists of a pulse-width modulator, which includes a master oscillator 10, a sawtooth voltage generator 11 and a comparator 12, as well as a matching device 13, a predetermined voltage source 14, an operational amplifier 15, a reference voltage source 16, an output voltage divider 17, timing RC circuit 18 and isolation diodes 19 and 20.

Крайние выводы делителя выходного напряжения 17 подключены к выводам накопительного конденсатора 5, средняя точка этого делителя подключена к инвертирующему входу операционного усилителя 15, неинвертирущий вход которого подключен к источнику опорного напряжения 16, параллельно которому включена времязадающая RC-цепочка 18, выход операционного усилителя 15 и выход источника заданного напряжения 14 через разделительные диоды 19, 20 подключены к инвертирующему входу компаратора 12, неинвертирующий вход последнего соединен с выходом генератора пилообразного напряжения 11, вход которого подключен к выходу задающего генератора 10, выход компаратора 12 подключен к управляющему входу согласующего устройства 13, выход этого устройства подключен к управляющему входу ключевого регулирующего транзисторного элемента 6.The extreme terminals of the output voltage divider 17 are connected to the terminals of the storage capacitor 5, the middle point of this divider is connected to the inverting input of the operational amplifier 15, the non-inverting input of which is connected to the reference voltage source 16, in parallel with which the timing RC circuit 18 is connected, the output of the operational amplifier 15 and the output set voltage source 14 through isolation diodes 19, 20 are connected to the inverting input of the comparator 12, the non-inverting input of the latter is connected to the output of the sawtooth voltage generator 11, the input of which is connected to the output of the master oscillator 10, the output of the comparator 12 is connected to the control input of the matching device 13, the output of this device is connected to the control input of the key regulating transistor element 6.

Питание всех узлов и элементов устройства управления импульсного стабилизатора напряжения осуществляется от вспомогательного источника питания 7, связанного входом с выходными контактами магнитного пускателя 1.All nodes and elements of the control device of the switching voltage stabilizer are powered from the auxiliary power source 7, connected by the input to the output contacts of the magnetic starter 1.

Устройство управления может быть выполнено по другой, отличной от представленной, структурной схеме. Конструктивно устройство управления целесообразно выполнить в виде отдельного узла (модуля).The control device can be made according to another, different from the presented, block diagram. Structurally, the control device is expedient to perform in the form of a separate unit (module).

Сварочный аппарат является замкнутой системой автоматического регулирования с отрицательной обратной связью, в которой обеспечивается плавный заряд накопительного конденсатора 5, а также стабилизация напряжения на его выводах во всех режимах работы аппарата.The welding machine is a closed-loop automatic control system with negative feedback, which provides a smooth charge of the storage capacitor 5, as well as voltage stabilization at its outputs in all modes of operation of the machine.

В связи с наличием в схеме накопительного конденсатора большой емкости, в устройстве управления импульсного стабилизатора напряжения предусмотрены корректирующие элементы, обеспечивающие плавный заряд этого конденсатора без большого броска тока при включении аппарата после длительного перерыва [5]. После установки магнитного пускателя 1 во включенное положение импульсный стабилизатор напряжения обеспечивает плавное увеличение длительности импульсов напряжения, подаваемых на накопительный конденсатор 5 с небольшим начальным броском зарядного тока.Due to the presence of a large-capacity storage capacitor in the circuit, corrective elements are provided in the switching voltage stabilizer control device to ensure a smooth charge of this capacitor without a large current surge when the device is turned on after a long break [5]. After installing the magnetic starter 1 in the on position, the switching voltage stabilizer provides a smooth increase in the duration of the voltage pulses applied to the storage capacitor 5 with a small initial surge of the charging current.

Сварочный аппарат работает в двух режимах. Первый режим - режим холостого хода, в течение которого сварочный электрод и свариваемые изделия удалены друг от друга. Второй режим - это режим, в течение которого электрод находится на расстоянии 2-4 мм от поверхности изделий и происходит образование сварного шва. Во время второго режима происходят процессы горения дуги и короткого замыкания между электродом и изделиями, длительность этих процессов составляет примерно 0,02-0,05 с.The welding machine operates in two modes. The first mode is the idle mode, during which the welding electrode and the workpieces to be welded are removed from each other. The second mode is the mode during which the electrode is at a distance of 2-4 mm from the surface of the products and a weld is formed. During the second mode, the processes of arc burning and short circuit between the electrode and products occur, the duration of these processes is approximately 0.02-0.05 s.

Сварочный ток обеспечивается за счет энергии, запасенной в накопительном конденсаторе 5, а также энергии, поступающей от питающей сети через балластные конденсаторы 4, мостовой выпрямитель 2, сглаживающий дроссель 3 и ключевой регулирующий транзисторный элемент 6. После зажигания дуги происходит частичный разряд накопительного конденсатора 5. Во время холостого хода, т.е. во время подготовки аппарата к работе, смены электрода и т.д., происходит подзаряд накопительного конденсатора 5.The welding current is provided by the energy stored in the storage capacitor 5, as well as the energy coming from the mains through the ballast capacitors 4, the bridge rectifier 2, the smoothing choke 3 and the key control transistor element 6. After the arc is ignited, the storage capacitor 5 is partially discharged. During idling, i.e. during the preparation of the apparatus for operation, the change of the electrode, etc., the storage capacitor 5 is recharged.

Сварочный аппарат работает следующим образом.The welding machine works as follows.

Во всех режимах работы сварочного аппарата напряжение обратной связи с выводов накопительного конденсатора 5 через делитель выходного напряжения 17 подается на инвертирующий вход операционного усилителя 15, на неинвертирующий вход которого поступает напряжение с выхода источника опорного напряжения 16. Усиленный сигнал рассогласования с выхода операционного усилителя 15 через разделительный диод 19 поступает на инвертирующий вход компаратора 12. На этот же вход через разделительный диод 20 подается напряжение с выхода источника заданного напряжения 14, который служит для запуска импульсного стабилизатора напряжения и для установки амплитуды броска зарядного тока накопительного конденсатора 5 при включении аппарата. На неинвертирующий вход компаратора 12 подаются синхронизирующие импульсы с выхода задающего генератора 10. Частота этих импульсов, т.е. рабочая частота импульсного стабилизатора напряжения, выбирается на один - два порядка выше, чем частота питающей сети.In all modes of operation of the welding machine, the feedback voltage from the terminals of the storage capacitor 5 through the output voltage divider 17 is fed to the inverting input of the operational amplifier 15, the non-inverting input of which receives voltage from the output of the reference voltage source 16. Amplified error signal from the output of the operational amplifier 15 through the isolation diode 19 is supplied to the inverting input of the comparator 12. The voltage is supplied to the same input through the isolating diode 20 from the output of the specified voltage source 14, which serves to start the switching voltage regulator and to set the amplitude of the surge of the charging current of the storage capacitor 5 when the device is turned on. The non-inverting input of the comparator 12 is supplied with clock pulses from the output of the master oscillator 10. The frequency of these pulses, i.e. the operating frequency of the switching voltage stabilizer is selected one or two orders of magnitude higher than the mains frequency.

Широтно-импульсный модулятор, состоящий из задающего генератора 10, генератора пилообразного напряжения 11 и компаратора 12, формирует прямоугольные импульсы напряжения с необходимым коэффициентом заполнения, которые поступают на вход согласующего устройства 13 и далее на управляющий вход ключевого регулирующего транзистора 6.The pulse-width modulator, consisting of a master oscillator 10, a sawtooth voltage generator 11 and a comparator 12, generates rectangular voltage pulses with the required duty cycle, which are fed to the input of the matching device 13 and then to the control input of the key regulating transistor 6.

Корректирующие элементы - источник заданного напряжения 14 и времязадающая RC-цепочка 18 служат для запуска аппарата и уменьшения броска зарядного тока накопительного конденсатора 5, а также обеспечивают плавное нарастание напряжения на его выводах за счет плавного нарастания опорного напряжения до установившегося значения. В начальный момент после включения аппарата напряжение на накопительном конденсаторе 5, на источнике заданного напряжения 14, а также на выходе операционного усилителя 15 равны нулю. Вследствие этого, напряжение на вход компаратора 12 поступает не с выхода операционного усилителя 15, а с выхода источника заданного напряжения 14 через разделительный диод 20. Выходное напряжение этого источника определяет амплитуду броска зарядного тока. Когда напряжение на выходе операционного усилителя 15 станет больше, чем выходное напряжение указанного источника 14, открывается разделительный диод 19 и на вход компаратора 12 подается напряжение с выхода операционного усилителя 15. После этого, длительность управляющих импульсов на входе ключевого регулирующего транзистора 6 и силовых импульсов напряжения, поступающего на накопительный конденсатор 5 и на нагрузку, определяются цепью отрицательной обратной связи импульсного стабилизатора напряжения.Correcting elements - a source of a given voltage 14 and a timing RC circuit 18 are used to start the device and reduce the inrush of the charging current of the storage capacitor 5, and also provide a smooth increase in the voltage at its terminals due to a smooth increase in the reference voltage to a steady value. At the initial moment after turning on the device, the voltage on the storage capacitor 5, on the source of the specified voltage 14, and also on the output of the operational amplifier 15 are equal to zero. As a result, the voltage at the input of the comparator 12 is supplied not from the output of the operational amplifier 15, but from the output of the specified voltage source 14 through the isolating diode 20. The output voltage of this source determines the amplitude of the charging current surge. When the voltage at the output of the operational amplifier 15 becomes greater than the output voltage of the specified source 14, the isolation diode 19 opens and the voltage from the output of the operational amplifier 15 is applied to the input of the comparator 12. After that, the duration of the control pulses at the input of the key regulating transistor 6 and the power voltage pulses , supplied to the storage capacitor 5 and to the load, are determined by the negative feedback circuit of the switching voltage regulator.

Реализация изобретения стала возможной после создания импульсных конденсаторов (молекулярных накопителей) сверхвысокой электрической энергии [3, 4]. Известные импульсные конденсаторы имеют следующие параметры: электрическая емкость до 460 Ф; напряжение заряда до 500 В; энергоемкость до 50 кДж; удельные объемно - массовые показатели 0,1-1 см³/ В⋅А и 0,2-2 г/В⋅А.The implementation of the invention became possible after the creation of pulse capacitors (molecular storage devices) of ultrahigh electrical energy [3, 4]. Known pulse capacitors have the following parameters: electric capacitance up to 460 F; charge voltage up to 500 V; energy intensity up to 50 kJ; specific volume - mass indicators 0.1-1 cm ³ / V⋅A and 0.2-2 g / V⋅A.

Однофазные и трехфазные трансформаторы при частоте питающей сети 50 Гц и габаритной мощности 1-10 кВ⋅А имеют удельные объемно - массовые показатели 4-7 см³/В⋅A и 7-10 г/В⋅А, т.е. удельные показатели импульсных конденсаторов примерно на порядок лучше, чем у трансформаторов.Single-phase and three-phase transformers with a power supply frequency of 50 Hz and an overall power of 1-10 kV⋅A have specific volumetric and mass indicators of 4-7 cm ³ /V⋅A and 7-10 g/V⋅A, i.e. specific indicators of impulse capacitors are about an order of magnitude better than those of transformers.

Объем и масса трансформатора составляют 50-70% от объема и массы элементов сварочного аппарата, вследствие чего применение импульсных конденсаторов вместо силового трансформатора обеспечивает снижение объема и массы аппарата по сравнению с известными аналогами примерно в 1,5-2 раза.The volume and mass of the transformer make up 50-70% of the volume and mass of the elements of the welding machine, as a result of which the use of pulse capacitors instead of a power transformer provides a reduction in the volume and weight of the apparatus compared to known analogues by about 1.5-2 times.

Кроме того, в связи с практическим отсутствием потерь мощности в конденсаторах, КПД предлагаемого сварочного аппарата выше, чем известных аппаратов.In addition, due to the practical absence of power losses in capacitors, the efficiency of the proposed welding machine is higher than that of known machines.

Новым в изобретении является введение в сварочный аппарат импульсных конденсаторов сверхвысокой электрической энергии вместо обычно применяющегося силового трансформатора, а также использование в качестве регулирующего устройства транзисторного импульсного стабилизатора напряжения, в устройстве управления которого предусмотрены необходимые корректирующие элементы.The novelty of the invention is the introduction of ultra-high electrical energy pulse capacitors into the welding machine instead of the commonly used power transformer, as well as the use of a transistor pulse voltage stabilizer as a control device, the control device of which provides the necessary corrective elements.

На основании изложенного может быть сделан вывод, что предлагаемое устройство позволяет получить положительный результат.Based on the foregoing, it can be concluded that the proposed device allows to obtain a positive result.

Изобретение является новым, т.к. при анализе доступных источников информации не выявлено аналогов с подобной совокупностью существенных признаков.The invention is new, because when analyzing available sources of information, no analogues with a similar set of essential features were identified.

ЛитератураLiterature

1. Закс М.И. Сварочные выпрямители. - Л.: Энергоатомиздат, 1983, с. 47-78.1. Zaks M.I. Welding rectifiers. - L.: Energoatomizdat, 1983, p. 47-78.

2. Геворкян В.Г. Основы сварочного дела. - М.: Высшая школа, 1991, с. 11-46.2. Gevorkyan V.G. Fundamentals of welding. - M.: Higher school, 1991, p. 11-46.

3. Автомобильные импульсные конденсаторы сверхвысокой энергии. // Справочный лист. Псковский завод радиодеталей. - Плескава, 2009.3. Automotive ultra-high energy pulse capacitors. // Reference sheet. Pskov plant of radio components. - Pleskava, 2009.

4. Молекулярные накопители электрической энергии - новый тип импульсного вторичного источника тока. - НПО " Квант".4. Molecular energy storage devices - a new type of pulsed secondary current source. - NPO "Kvant".

5. Шуваев Ю.Н. Зарядные устройства для импульсных энергоемких конденсаторов. Электронные компоненты, №1, 2012.5. Shuvaev Yu.N. Chargers for impulse energy-intensive capacitors. Electronic components, No. 1, 2012.

6. Патент US №2015136745 A1 В23K 9/09, 21.05.2015/Д1.6. US patent No. 2015136745 A1 B23K 9/09, 05/21/2015 / D1.

Claims

1. A welding machine containing a magnetic starter, the input contacts of which are connected to each phase of the supply network, a single-phase or three-phase bridge rectifier corresponding to the supply network, an ultra-high electrical energy storage capacitor, the positive terminal of which is connected to the positive terminal of the bridge rectifier and to the positive output terminal of the device, and the negative output is connected through a smoothing choke to the negative output terminal of the device, and a switching voltage regulator with a key regulating transistor element, a control device and an auxiliary power source connected to the input with the output terminals of the magnetic starter, characterized in that it is equipped with non-polar ballast capacitors of ultrahigh electric of energy connected between each of the output contacts of the magnetic starter and the input terminals of the bridge rectifier, while the negative power terminal of the key regulating transistor element is connected to the negative terminal of the bridge rectifier, and the positive power terminal of the said element is connected to the negative terminal of the storage capacitor, and the control device of the switching stabilizer voltage is made in the form of a pulse-width modulator, including a master oscillator, a sawtooth voltage generator, a comparator, a matching device, a source of a given voltage and a time-setting RC circuit, which are used to start a pulsed voltage regulator and determine the amplitude of the charging current surge of the storage capacitor when turned on, an operational amplifier, a reference voltage source, an output voltage divider and separating diodes, while the extreme terminals of the output voltage divider are connected to the terminals of the storage capacitor, the middle point of the said divider is connected to the inverting input of the operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the reference voltage source, in parallel to which it is connected the timing RC circuit, the output of the operational amplifier and the output of the specified voltage source are connected through the corresponding isolating diodes to the inverting input of the comparator, the non-inverting input of which is connected to the output of the sawtooth voltage generator, and the input of this generator is connected to the output of the master oscillator, and the output of the comparator is connected to the control input matching device, the output of which is connected to the control input of the key regulating transistor element.

2. The welding machine according to claim 1, characterized in that ballast resistors are connected in parallel with the ballast and storage capacitors.