SU1074672A1 - Источник питани дл дуговой сварки на посто нном токе - Google Patents

Abstract

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРК11 НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ , содержащий последовательно соединенные высоковольтный выпр митель, фильтр, последовательный тиристорный инвертор , трансформатор с первичной и вторичной обмотками, низковольтный выпр митель , а также систему управлени  инвертором , содержащую задающий генератор, две схемы сравнени , источник опорного напр жени , распределитель-формирователь импульсов, датчики напр жени  и тока нагрузки, датчик тока первичной обмотки трансформатора, отличающийс  тем, что, с целью увеличени  КПД источника, в систему управлени  инвертором дополнительно введены датчики тока тиристоров, две схемы ИЛИ, схема И, транзисторный ключ, второй датчик напр жени  нагрузки, амплитудный селектор, RC-фильтр и триггер Шмитта , причем выходы датчиков тока.тиристоров подключены к входам первой схемы ИЛИ, выход последней соединен с первым входом второй схемы ИЛИ и с управл ющим входом транзисторного ключа, который включен параллельно выходу второго датчика напр жени  нагрузки, при этом последний через амплитудный селектор соединен с вторым входом второй схемы ИЛИ и через последовательно соединенные RCфильтр и триггер Шмитта - с одним входом схемы И, другой ее вход соединен с Выходом датчика тока первичной обмотки трансформатора, а выход указанной схемы И - с третьим входом второй схемы ИЛИ.

Description

Изобретение относитс  к электросварке, а именно к статическим преобразовател м со звеном повышенной частоты, предназначенным дл  питани  сварочных установок, и может найти применение как источник вторичного электропитани . Известно устройство, содержащее последовательно включенные высоковольтный выпр митель, фильтр (или цепь питани  посто нным напр жением), последовательный резонансный инвертор, трансформатор , низковольтный выпр митель и нагрузку (или нагрузку, подключенную к выходу инвертора через трансформатор, либо непосредственно), а также систему управлени  инвертором, содержащую например, задающий генератор, распределитель-формирователь импульсов, датчики напр жени  и тока схемы сравнени , которые работоспособны в щироком диапазоне сопротивлений нагрузки. Параллельно нагрузке инвертора включены конденсатор и катушка индуктивности (балластна  LC-цепь) 1. Недостатком схемы  вл етс  низкий КПД, вызванный потер ми как в самой LCцепи , так и в прочих элементах инвертора за счет протекани  через них балластного тока. Кроме того, такое рещение вызывает увеличение установленной мощности, а значит и габаритов примененных элементов. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой  вл етс  высокочастотна  электросварочна  система, содержаща  последовательно включенные высоковольтный выпр митель, фильтр, инвертор, трансформатор , низковольтный выпр митель, нагрузку , а также систему управлени  инвертором , в состав которой вход т задающий генератор, распределитель-формирователь импульсов, две схемы сравнени , датчики напр жени  и тока нагрузки, датчик тока первичной обмотки трансформатора , детектор нул , причем выход задающего генератора соединен с входом распределител -формировател  импульсов, а выходы последнего соединены с управл ющими электродами тиристоров инвертора, выходы датчиков тока и напр жени  нагрузки соединены с первыми входами первой и второй схем сравнени  соответственно , вторые входы которых соединены с источниками опорных напр жений, выходы схем сравнени  соединены с входом задающего генератора, а выход датчика тока первичной обмотки трансформатора через последовательно включенный детектор нул  соединен с входом задающего генератора 2. В системе обеспечиваетс  временна  задержка включени  очередного тиристора после перехода через «О тока первичной обмотки, вызванного провод щим состо нием предыдущего тиристора, т. е. частота коммутации инвертора остаетс  ниже его резонансной частоты. Дл  устранени  перенапр жений в элементах инвертора сердечник трансформатора выполнен с немагнитным зазором. Кроме того, при превыщении напр жени  нагрузки заданного максимального значени  инвертор отключаетс . Недостатком известной системы  вл етс  низкий КПД, обусловленный значительным балластным током трансформатора, что св зано с наличием немагнитного зазора в его магнитопроводе. Цель изобретени  - увеличение КПД устройства. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в систему управлени  инвертором источника питани  дл  дуговой сварки на посто нном токе, содержащего последовательно соединенные высоковольтный выпр митель, фильтр, последовательный тиристорный инвертор , трансформатор с первичной и вторичной обмотками, низковольтный выпр митель , а также систему управлени  инвертором , состо щую из задающего генератора , двух схем сравнени , источника опорного напр жени , распределител -формировател  импульсов, датчиков напр жени  и тока нагрузки, датчика тока первичной обмотки трансформатора, введены датчики тока тиристоров , две схемы ИЛИ, схема И, транзисторный ключ, второй датчик напр жени  нагрузки, амплитудный селектор, RCфильтр и триггер Шмитта, причем выходы датчиков тока тиристоров подключены к входам первой схемы ИЛИ, выход последней соединен с первым входом второй схемы ИЛИ и с управл ющим входом транзисторного ключа, который включен параллельно выходу второго датчика напр жени  нагрузки, при этом последний -через амплитудный селектор соединен с вторым входом второй схемы ИЛИ и через последовательно соединенные RC-фильтр и триггер Шмитта - с одним входом схемы И, другой ее вход соединен с выходом датчика тока первичной обмотки трансформатора, а выход указанной схемы И - с третьим входом второй схемы ИЛИ. На фиг. 1 представлена функциональна  схема источника питани  дл  дуговой сварки на посто нном токе; на фиг. 2 - внешние вольт-амперные характеристики источника питани ; на фиг. 3 - временные диаграммы токов и напр жений. Источник питани  (фиг. 1) содержит последовательно содиненные между собой высоковольтный выпр митель 1, фильтр 2, последовательный тиристорный инвертор 3,:, трансформатор 4 с первичной 5 и вторичной 6 обмотками, низковольтный выпр митель 7, нагрузку (сварочную цепь) 8, а также систему управлени  инвертором, в состав которой вход т задающий генератор 9, содержащий, например, параллельно включенные интегратор 10 и разр дный ключ И, перва  12 и втора  13 схемы сравнени , источник 14 опорного напр жени , распределитель-формироэатель 15 импульсов , первый 16 и второй 17 датчики напр жени  нагрузки, датчик 18 тока нагрузки, датчик 19 тока первичной обмотки трансформатора , первый 20 и второй 21 датчики тока тиристоров, перва  22 и втора  23 схемы ИЛИ, транзисторный ключ 24, схема И 25, амплитудный селектор 26, триггер 27 Шмитта, RC-фильтр 28, делитель 29 и переключатель 30. Выходы распределител -формировател  15 импульсов соединены с управл ющими цеп ми тиристоров инвертора. Первый вход задающего генератора, а именно управл юща  цепь вход щего в его состав разр дного ключа 11, соединен с выходом второй схемы ИЛИ 23, дв.а входа которой соединены соответственно с общей- точкой выхода схемы 12 сравнени  и входа распределител -формировател  15, и с выходом схемы И 25, один вход которой соединен с выходом триггера 27 Шмитта, другой - с выходом датчика 19 тока первичной обмотки 5 трансформатора 4. Второй вход задающего генератора соединен с выходом второй схемы 13 сравнени , первый вход которой, подключен через делитель 29 к источнику 14 опорного напр жени , второй в зависимости от положени  переключател  30 - к выходу датчика 18 тока нагрузки или к выходу первого датчика 16 напр жени  нагрузки . Первый вход первой схемы 12 сравнени  соединен с общей незаземленной точкой конденсатора интегратора 10 и разр дного ключа 11 задающего генератора 9, второй, через делитель 29, - с источником 14 опорного напр жени . Выходы датчиков тока тиристоров 20 и 21 подключены к вхо дам первой схемы ИЛИ 22, выход которой подключен к третьему входу второй схемы ИЛИ 23 и к управл ющей цепи транзисторного ключа 24, подключенного между землей и общей точкой, св зывающей выход второго датчика 17 напр жени , вход RCфильтра 28 и вход амплитудного селектора 26. Выход последнего соединен с четвертым входом второй схемы ИЛИ 3. Выход RC-фильтра соединен с входом триггера 27 Шмитта. Устройство работает следующим образом. При подключении устройства к промышленной сети на выходе высоковольтного выпр мител  1 (фиг. 1) по вл етс  посто вное напр жение, зар жающее конденсатор фильтра 2. Одновременно по вл ютс  напр жени  питани  элементов системы управлени . Предположим, что нагрузкой 8  вл етс  активное сопротивление, а переключатель 30 находитс  в среднем положении (цепь обратной св зи разорвана). Сопротивление нагрузки таково, что рабоча  точка занимает положение 31 (фи/. 2). Другие положени  рабочей точки на внешней вольтамперной характеристике обозначены позици ми 32-37, а характеристика процесса сварки позицией 38 (фиг. 2). Режиму, определенному рабочей точкой 31, соответствует временной интервал 0 t. t (фиг. 3), где изображены следующие процессы: 39 - ток первичной обмотки 5 трансформатора 4; 40 - напр жение на нагрузке 8; 41 - напр жение на выходе второго датчика 17 напр жени ; 42 - напр жение на выходе первой схемы ИЛИ 22; 43 - напр жение на выходе датчика 19 тока первичной обмотки 5 трансформатора 4; 44 - напр жение на выходе амплитудного селектора 26; 45 - напр жение на выходе триггера 27 Шмитта; 46 - напр жение на выходе второй схемы ИЛИ 23; 47 - напр жение на первом входе первой схемы 12 сравнени  (на выходе интегратора 10); 48 - напр жение на входе распределител -формировател  15. Во врем  протекани  тока через тиристоры инвертора 3 датчики 20 и 21 вырабатывают сигналы логической единицы, которые после суммировани  в схеме ИЛИ 22 и прохождени  через схему ИЛИ 23 попадают на вход разр дного ключа 11 интегратора 10. Во врем  действи  этих импульсов (42 и 46 на фиг. 3) ключ 11 замкнут , напр жение на выходе интегратора равно «О (47, фиг. 3). По окончании проводимости одного из тиристоров ключ 11 размыкаетс  на выходе интегратора 10 и напр жение линейно нарастает. Когда это напр жение сравнитс  с величиной выход °™ Напр жени  делител  29, схема сравнени  12 вырабатывает импульс, поступающий с ее выхода на вход распределител формировател  15 и на вход второй схемы ИЛИ 23, т. е. формируетс  очередной импульс включени  тиристора инвертора, а интегратор устанавливаетс  в «О. Таким образом, врем  между очередными управл ющими импульсами равно сумме времени провод щего состо ни  тиристора, равного в свою очередь половине периода резонансной частоты инвертора и времени нарастани  выходного напр жени  интегратора от «О до выходного напр жени  делител  29, следовательно рабоча  частота ин .вертора оказываетс  мень1ие его резонансной частоты при данной нагрузке. Параметры интегратора 10 выбраны так, чтобы врем  задержки &i (фиг. 3) i было не меньше времени восстановлени  тиристоров , примененных в инверторе в любом режиме работы последнего. Во врем  действи  выходных импульсов первой схемы ИЛИ 22 (во врем  протекани  тока тиристоров ) кл1юч 24, шунтирующий выход датчика 17 напр жени , находитс  в замкнутом состо нии, поэтому напр жение на выходе датчика 17 отлично от «О только в течение времени задержки д1 каждого цикла и соответствует напр жению нагрузки 8 во врем  протекани  тока через диоды, шунтирующие тиристоры инвертора 3 (диаграмма 41, фиг. 3). Величина этого напр жени  после прохождени  через RC-фильтр 28 значительно меньше порога срабатывани  триггера 27 Шмитта, а амплитуда меньше порогового напр жени  амплитудного селектора 26. На выходе схемы И 25 сигнал отсутствует, так же как и на выходе амплитудного селектора. Остальные элементы схемы не оказывают вли ни  на работу устройства.

Предположим, что сопротивление нагрузки 8 возрастает. Если этот процесс происходит плавно, рабоча  точка предельной внешней характеристики из положени  31 (фиг. 2) будет перемеш.атьс  в направлении , обозначенном пунктирной кривой. На участке от точки 31 до точки 32 характер процессов не измен етс , однако частота собственного резонанса инвертора уменьшаетс , следовательно увеличиваетс  врем  провод ш,его состо ни  диристоров и, поскольку задержка At остаетс  посто нной, уменьшаетс  частота коммутации вентилей инвертора. Действующее значение напр жени  на выходе интегратора уменьшаетс  при снижении частоты, следовательно участок характеристики 31-32 (фиг. 2) будет более пологим, чем при посто нной частоте управл ющих импульсоз. Это обсто тельство расшир ет о ласто трименени  источника питани  в случа.;х, когда требуетс  стабильность выходного напр жени  и значительный ток короткого замыкани , например , при автоматической или полуавтоматической сварке в атмосфере защитного газа. В точке 31 (фиг. 2) напр жение нагрузки 8 достигает такой величины, что действующее значение напр жени  на входе триггера 27 Шмитта превышает порог его срабатывани . С этого момента на выход схемы И 25 будут передаватьс  выходные импульсы датчика тока первичной обмотки трансформатора (диаграмма 43, фиг. 3), которые поступают на вход схемы ИЛИ 23 и с выхода последней - на управл ющую цепь ключа 11 задающего генератора 9.

В таком режиме выходное напр жение интегратора 10 равно «О, когда ток первичной обмотки трансформатора отличен от «О. Врем  между соседними управл ющими импульсами равно сумме времени провод щего состо ни  тиристора, времени провод щего состо ни  шунтирующего диода и времени нарастани  выходного напр жени  интегратора от «О до выходного напр жени  делител  29, а рабоча  частота инвертора меньше 1/2 его резонансной частоты при данной нагрузке. Рабоча  точка источника скачком перемещаетс  из положени  32 в положение 33 (фиг. 2). При дальнейщем возрастании сопротивлени  нагрузки характер процесса сохран етс . Состо ние Триггера 27 Шмитта также сохран етс , так как теперь шунтирование датчика 17 ключом 24, происход щее по-прежнему во врем  протекани  тока через тиристоры , соответствует 1/2 периода резонансной частоты инвертора (вместо времени задержки в прежнем режиме) поэто0 му действующее значение напр жени  на входе триггера остаетс  больще порога его срабатывани . Чем больше сопротивление нагрузки, тем слабее сказываетс  ее шунтирующее действие на трансформатор и на процессы в инверторе. В предельном случае (разрыв цепи нагрузки, точка 4, фиг. 2), роль коммутирующей индуктивности инвертора играет сумма индуктивности коммутирующей катущки и индуктивности намагничивани  трансформатора. Поскольку вто0 рое слагаемое, как правило, значительно больще первого, резонансна  частота инвертора в режиме холостого хода со стороны нагрузки значительно (реально на 1-2 пор дка ) меньше частоты в режиме короткого замыкани , а в св зи с наличием задерж ки включени  &i частота коммутации несколько меньще 1/2 резонансной частоты, очередное включение тиристора оказываетс  возможным лищь после окончани  переходных процессов в инверторе, вызванд ных предыдущим включением.

Таким образом, перенапр жени  на элементах инвертора устран ютс  путем скачкообразного изменени  его рабочей частоты приблизительно в 2 раза и исключением  влени  «раскачки путем введени  задерж5 ки включени  очередного тиристора после окончени  переходных процессов в инверторе (прекращени  протекани  тока в первичной обмотке трансформатора). При плавном уменьщении сопротивлени  нагрузки инвертора рабоча  точка будет перемеО щатьс  по предельной внещней характеристике в направлении, указанном сплошной стрелкой (фиг. 2) и на пути от холостого хода до короткого замьжани  будет последовательно занимать положени  34, 33,

35, 36, 31 и 37. Порог отпускани  триггера Шмитта подобран так, что скачкообразный переход из положени  35 в положение 36 происходит при меньшем сопротивлении нагрузки , чем переход из положени  32 в положение 33, а участок 33-35 лежит выше

0 характеристики процесса сварки 38. Это обеспечивает устойчивое горение дуги при заданном токе в режиме ручной сварки и заданном напр жении в режиме автоматической сварки.

5 Рассмотрим случай, когда сопротивление нагрузки увеличиваетс  скачком от величины , соответствующей точке 31 (фиг. 2), до 00 . Предположим, что этот скачок происходит в момент tj (фиг. 3). Напр жение на нагрузке резко возрастает (диаграмма 40, фиг. 3). Параметры трансформатора 4 (фиг. 1) выбраны так, что при возрастании напр жени  на обмотке 5 до заданной величины , магнитна  индукци  достигает значени , соответствующего насыщению сердечника , вследствие чего дальнейщий рост напр жени  на обмотке 5 и на нагрузке 8 прекращаетс . В ненасыщенном состо нии сердечника индуктивность намагничивани  его должна обеспечивать устойчивое включение тиристоров за врем  действи  импульсов управлени . В момент t2 (фиг. 3) прекращаетс  ток тиристора инвертора, следовательно , напр жение выхода первой схемы ИЛИ 22 (фиг. 1) становитс  равным «О. На выходе второй схемы ИЛИ 23 также напр жение становитс  равным ключ 11 размыкаетс , начинаетс  нарастание выходного напр жени  интегратора 10 (диаграмма 9, фиг. 3). Однако мгновенное значение напр жени  на выходе датчика 17 превыщает пороговое напр жение амплитудного селектора 26, а его действующее значение превыщает порог срабатывани  триггера 27 Шмитта. Амплитудный селектор 26 реагирует на мгновенное значение входного напр жени , поэтому на его выходе напр жение по витс  раньще, чем на выходе триггера Шмитта (диаграмма 44, фиг. 3). Промежуток времени между моментами t и по влением напр жени  на выходе элемента 26 значительно меньще At (фиг. 3). Последнее напр жение поступает на вход второй схемы ИЛИ, далее - на управл ющую цепь ключа 11, что приводит к его замыканию. Через некоторое врем  после скачка сопротивлени  нагрузки, например в момент t3, срабатывает триггер Шмитта, а процессы протекают так же, как описано выще, т. е. следующий управл ющий импульс по витс  через интервал д1 после окончани  переходных процессов, а именно в момент t (фиг. 3). Таким образом, совместное действие триггера Шмитта, реагирующего на действующее значение напр жени  датчика 17 и безынерционного селектора 26 амплитуды , объединенных схемой ИЛИ 23, позвол ют сочетать высокое быстродейсствие защиты инвертора от аварийных режимов с устойчивостью положени  рабочей точки на внещней характеристике. В нижнем положении переключател  30 ( режим «падающих характеристик) (фиг. 1 происходит стабилизаци  тока нагрузки. Выходное напр жение датчика тока нагрузки 18 (фиг. 1) сравниваетс  в элементе 13 С напр жением уставки (делитель 29), разница этих величин  вл етс  входным напр жением интегратора 10 задающего генератора 9. Если ток нагрузки меньще заданного , скорость нарастани  выходного напр жени  интегратора 10 возрастает, следовательно врем  нарастани  его до входного напр жени  схемы сравнени  12 уменьщаетс . Возрастает частота коммутации тиристоров инвертора, значит, возрастает напр жение и ток нагрузки. Аналогично происходит стабилизаци  напр жени  нагрузки в верхнем (фиг. 1) положении переключател  30 с той разницей , что на вход схемы 13 сравнени  (фиг. 2) поступает выходное напр жение первого датчика 16 напр жени  (режим «жестких характеристик). Задающий генератор 9 построен таким образом, что входное напр жение интегратора 10 всегда ограничено величиной , при которой скорость нарастани  его выходного напр жени  не превыщает отнощени  выходного напр жени  делител  29 к заданному времени задержки at, т. е. регулирование электрических параметров нагрузки 8 возможно вниз от предельных внещних характеристик (фиг. 2). Если з процессе работы устройства возникает недопустимое перенапр жение, то работа устройства не отличаетс  от работы в вышеописанном случае (переключатель 30 в среднем положении). Технико-экономи еское преимущества предлагаемого источника заключаютс  в том, что введение в систему управлени  инвертором сварочного источника питани , датчиков токов тиристоров, схемы И, двух схем ИЛИ, транзисторного ключа, дополнительного датчика напр жени  нагрузки, амплитудного селектора, RC-фильтра, триггера Шмитта и соединение перечисленных элементов между собой и с остальными элементами системы управлени  выщеописанным способом, обеспечивает устойчивую работу предлагаемого устройства во всем диапазоне сопротивлений нагрузки от холостого хода до короткого замыкани , в том числе и при скачкообразных изменени х этого сопротивлени  в указанных пределах. При этом не-требуетс  щунтировани  выхода инвертора какими-либо балластными цеп ми, в частности трансформатор источника питани  может быть вьщолнен без немагнитного зазора в магнитопроводе, с малым взаимным рассе нием между первичной и вторичной обмотками и, следовательно , с высоким КПД при номинальной нагрузке, а последнее обсто тельство позвол ет повысить КПД источника питани . 57 J

39

to

ППП

tiZ

Claims (1)

1. ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ, содержащий последовательно соединенные высоковольтный выпрямитель, фильтр, последовательный тиристорный инвертор, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, низковольтный выпрямитель, а также систему управления инрер- тором, содержащую задающий генератор, две схемы сравнения, источник опорного напряжения, распределитель-формирователь импульсов, датчики напряжения и тока нагрузки, датчик тока первичной обмотки трансформатора, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД источника, в систему управления инвертором дополнительно введены датчики тока тиристоров, две схемы ИЛИ, схема И, транзисторный ключ, ' второй датчик напряжения нагрузки, амплитудный селектор, RC-фильтр и триггер Шмитта, причем выходы датчиков тока.тиристоров подключены к входам первой схемы ИЛИ, выход последней соединен с первым входом второй схемы ИЛИ и с управляющим входом транзисторного ключа, кото- _Λ рый включен параллельно выходу второго S датчика напряжения нагрузки, при этом последний через амплитудный селектор соединен с вторым входом второй схемы ИЛИ и через последовательно соединенные RCфильтр и триггер Шмитта — с одним входом схемы И, другой ее вход соединен с Выходом датчика тока первичной обмотки трансформатора, а выход указанной схемы И — с третьим входом второй схемы ИЛИ.

   «Яйк/