МНОГОПОСТОВОЙ СВАРОЧНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Заявляемая полезная модель относится к электродуговой сварке, в частности, к источникам питания для сварки электрической дугой постоянного тока.
Среди источников питания электрической дуги известен, например, по свидетельству РФ на полезную модель №23537, Н 02 М 5/14, 2002 [1], многофазный агрегатированный сварочный трансформатор, содержащий несколько внутренних аксиальных магнитопроводов, каждый из которых имеет две активные торцевые поверхности с пазами, в которые уложены первичная трехфазная и вторичная многофазная обмотки, и два боковых беспазовых аксиальных магнитопровода, примыкающих к внутренним магнитопроводам торцовыми поверхностями через немагнитные прокладки, причем внутренние магнитопроводы примыкают друг к другу активными торцевыми поверхностями через немагнитные прокладки, разделенные между собой одним промежуточным ярмом в виде листа из электротехнической стали, отличающийся тем, что концы вторичных многофазных обмоток подсоединены к многофазному с соответствующим числом фаз двухполупериодному выпрямителю, обеспечивающему высокое качество сварочных работ за счет выпрямления вторичного многофазного напряжения, приводящего к снижению уровня пульсации выпрямленного напряжения.
Общим у указанного сварочного трансформатора с заявляемой полезной моделью является наличие внутренних аксиальных магнитопроводов с двумя активными торцевыми поверхностями; двух боковых аксиальных магнитопроводов; первичной трехфазной и вторичной многофазной обмоток; выпрямителя.
Недостатком указанного сварочного трансформатора по свидетельству №23537 [1] является то, что внутренние аксиальные магнитопроводы выполнены с пазами. В трансформаторе такой конструкции пазы для укладки обмоток на обоих торцах внутреннего аксиального витого магнитопровода фрезеруются, что предопределяет высокие производственные энергозатраты, безвозвратные отходы в стружку электротехнической стали и повышенные потери энергии на вихревые токи во внутренних аксиальных магнитопроводах. Увеличение потерь на вихревые токи вызвано тем, что в процессе фрезерования пазов витки ленты замыкаются между собой по фрезерованным поверхностям, в результате чего возникает множество короткозамкнутых контуров, перпендикулярных
направлению магнитного потока. Кроме того, магнитный поток в зубцах такого трансформатора перпендикулярен направлению проката ленты электротехнической стали, из которой посредством навивки изготавливается средний магнитопровод. Однако известно, что магнитное сопротивление холоднокатаной электротехнической стали в поперечном направлении в 1,5-2 раза выше, чем в направлении проката. Поэтому сопротивление магнитному потоку в зубцовой зоне трансформатора, изготавливаемого подобным образом, оказывается в 1,5-2 раза больше, чем в ярме среднего магнитопровода, если их сечения равны. В этом случае для выравнивания магнитных сопротивлений зубцовой зоны и ярма сечение зубцов приходится увеличивать в 1,5-2 раза, соответственно, что приводит к увеличению массы трансформатора. Кроме того, применение этого трансформатора в качестве многопостового сварочного выпрямителя приводит к значительному влиянию постов друг на друга, так как в нем концы всех вторичных многофазных обмоток подсоединены к одному многофазному выпрямителю, который имеет один выход для питания всех сварочных постов. Взаимное влияние постов друг на друга приводит к неустойчивому горению дуги, и, как следствие, к низкому качеству сварного шва. Еще одним недостатком указанного сварочного трансформатора по свидетельству №23537 является то, что в качестве выпрямительного блока он содержит неуправляемый выпрямитель. При этом регулировка сварочного тока возможна только за счет использования дополнительного балластного сопротивления, которое последовательно включается в сварочную цепь на выходе выпрямителя. Дооборудование сварочного выпрямителя балластным сопротивлением приводит к увеличению его стоимости и удельных массогабаритных показателей, усложнению процесса выполнения сварочных работ, связанному с необходимостью регулировки тока в сварочной цепи с помощью балластного сопротивления. Также это приводит к небольшой точности регулировки сварочного тока: не выше ±5%.
Известен также многопостовой тиристорный сварочный выпрямитель ВДУМ-4×401 («Оборудование для дуговой сварки», справочное пособие под ред. Смирнова В.В., Энергоатомиздат, 1986, с.516 [2]), имеющий единый силовой трансформатор, четыре независимых тиристорных выпрямителя с блоками фазового управления, датчиками тока на магнитных усилителях и дросселями в цепи выпрямленного тока. К выходам дросселей подключаются четыре сварочных поста выпрямителя.
Недостатками указанного устройства [2] является низкий КПД (70%), низкий коэффициент мощности (не более 0,75), большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения. Указанные недостатки обуславливают высокие потери электроэнергии при выполнении сварочных работ, негативное влияние на качество электроэнергии питающей сети, требуют высокой квалификации сварщика при выполнении ответственных сварочных работ и, как правило, являются одной из причин низкого качества сварного шва. Указанное устройство имеет также высокое значение показателя расхода активных материалов на единицу полезной (активной выходной) мощности (, фиг.8 пп.2.5, 2.6, 4.1), что приводит к увеличенной материалоемкости, и, следовательно, стоимости выпрямителя ВДУМ-4×401.
Указанный сварочный выпрямитель ВДУМ-4×401 является по совокупности существенных признаков наиболее близким устройством того же назначения к заявляемой полезной модели. Поэтому он принят в качестве прототипа заявляемой полезной модели.
Техническим результатом, достигаемым заявляемой полезной моделью, является уменьшение искажающего воздействия на напряжение питающей сети и уменьшение энергопотребления за счет увеличения значений коэффициента мощности и коэффициента полезного действия сварочного выпрямителя, а также уменьшения значения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения.
Другим техническим результатом, достигаемым заявляемой полезной моделью, является снижение расхода активных материалов в расчете на единицу полезной (активной выходной) мощности.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что многопостовой сварочный выпрямитель содержит единый силовой трансформатор, n тиристорных выпрямительных блоков с n соответствующими блоками управления, причем силовой трансформатор является многофазным агрегатированным трансформатором с вращающимся магнитным полем (МАТВП) с n трехфазными первичными и n m-фазными вторичными обмотками, причем каждая из вторичных обмоток подключена к силовому входу соответствующего тиристорного выпрямительного блока, выполненного по m-фазной мостовой схеме, а выход каждого тиристорного выпрямительного блока подключен к его управляющему входу через соответствующий блок управления и является силовым выходом
сварочного выпрямителя, предназначенным для подключения соответствующего сварочного поста.
Достижение технического результата основывается на следующих доказательствах.
Известно, что коэффициент мощности выпрямителя определяется следующим соотношением [3, с.14, формула (1.22)]:
ci
Где I - действующее значение i-й гармонической составляющей тока, потребляемого выпрямителем из сети (i=2, 3...);
ν - коэффициент искажения тока, потребляемого выпрямителем из сети.
В свою очередь гармонический состав тока на входе выпрямителя определяется неравенством [4, с.145, формула (3.6.6)]:
Где q - тактность схемы выпрямления;
m - число фаз входного напряжения схемы выпрямления (фазность схемы выпрямления).
Таким образом, с увеличением фазности схемы выпрямления m порядок гармонических составляющих тока i возрастает (например, в трехфазном мостовом выпрямителе, также как и в выпрямителе с простой шестифазной схемой выпрямления с нулевой точкой в кривой потребляемого тока кроме первой присутствуют гармонические составляющие порядка i≥2·3±1=6±1, т.е. 5-го и более высокого порядка (фиг.4), а в девятифазном мостовом выпрямителе i≥2·9±1=18±1, т.е. уже 17-го и более высокого порядка (фиг.5)) и коэффициент мощности (фиг.8, п.3.1) выпрямителя повышается, так как сумма  при этом уменьшается.
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения с увеличением фазности схемы выпрямления m наоборот уменьшается. Этот вывод следует из анализа выражения, в соответствии с которым определяется коэффициент пульсации [3, с.19, формула (1.37)],
im
Где U - амплитудное значение i-й гармонической составляющей выпрямленного напряжения;
d
U - среднее значение выпрямленного напряжения.
Из выражения (3) следует, что расчетный коэффициент пульсаций для трехфазного мостового выпрямителя составляет 0,057, а для девятифазного мостового выпрямителя - 0,006, т.е. уменьшается почти на порядок.
КПД выпрямителя также зависит от гармонического состава токов и напряжений, так как определяется выражением следующего вида [3, с.70, формула (1.147)]:
н
Где P - активная мощность нагрузки, потребляемая электроприемниками, подключаемыми к выходу выпрямителя;
ΔР - активная мощность, включающая потери мощности в обмотках трансформатора и вентилях выпрямителя, в том числе и обусловленные нелинейными искажениями тока и напряжения на входе и на выходе выпрямителя (мощность искажений). Очевидно, что увеличение фазности схем выпрямления обуславливает уменьшение мощности искажений в соответствии с выражениями (2) и (3), а значит, позволяет увеличить КПД (фиг.8, п.3.3) и уменьшить энергопотребление выпрямителя (фиг.8, п.3.4).
За счет явления вращающегося магнитного поля в ТВП трехфазная система напряжений питающей сети может быть преобразована в многофазную, например, девятифазную.
Таким образом, подтверждением достижения технического результата является следующее:
уменьшение искажающего воздействия на напряжение питающей сети демонстрируется сравнением графиков тока (осциллограммы) на входе многопостового сварочного выпрямителя ВДУМ-4×401 (фиг.4) и на входе 9-фазного сварочного выпрямителя (фиг.5);
уменьшение энергопотребления видно из таблицы сравнения характеристик девятифазного многопостового сварочного выпрямителя МСВМ-4×401 с многопостовым сварочным выпрямителем (аналогом) ВДУМ-4×401 (фиг.8, п.3.3);
увеличение значений коэффициента мощности - из таблицы (фиг.8, п.3.1);
увеличение коэффициента полезного действия сварочного выпрямителя - из таблицы (фиг.8, п.3.3);
уменьшение значения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения подтверждается расчетным путем из формулы (3), приведенной в настоящем описании, а также демонстрируется сравнением графиков выпрямленного напряжения (осциллограммы) на выходе многопостового сварочного выпрямителя ВДУМ-4×401 (фиг.6) и на выходе 9-фазного многопостового сварочного выпрямителя (фиг.7).
Все значения получены расчетным и опытным путем в заявленных пределах значений характеристик и параметров.
Заявляемый многопостовой сварочный выпрямитель иллюстрируется следующими графическими материалами.
Фигура 1 - функциональная схема многопостового сварочного выпрямителя.
Фигура 2 - конструкция трансформатора для девятифазного двухпостового сварочного выпрямителя, вид сбоку.
Фигура 3 - конструкция трансформатора для девятифазного двухпостового сварочного выпрямителя, вид сверху.
Фигура 4 - график тока каждой фазы на входе 6-фазного сварочного выпрямителя ВДУМ-4×401 (прототип).
Фигура 5 - график тока каждой фазы на входе 9-фазного сварочного выпрямителя.
Фигура 6 - график выпрямленного напряжения на выходе 6-фазного сварочного выпрямителя ВДУМ-4×401 (прототип).
Фигура 7 - график выпрямленного напряжения на выходе 9-фазного сварочного выпрямителя.
Фигура 8 - таблица сравнения характеристик многопостового 9-фазного сварочного выпрямителя МСВМ-4×401 с аналогом - многопостовым сварочным выпрямителем ВДУМ-4×401.
Многопостовой сварочный выпрямитель (фиг.1) содержит силовой многофазный агрегатированный трансформатор с вращающимся магнитным полем 1 (МАТВП), n управляемых m-фазных мостовых выпрямителей 2 (ММВ) и n
блоков управления 3. МАТВП 1 содержит n внутренних кольцевых магнитопроводов (не показано), каждый из которых охватывают трехфазная первичная 4 и m-фазная вторичная 5 обмотки. Каждая вторичная обмотка 5 МАТВП 1 подключена к силовому входу 6 соответствующего ММВ 2. Силовой выход 7 каждого ММВ 2 подключен к входу 8 соответствующего блока управления 3, выход 9 которого подключен к управляющему входу 10 того же ММВ 2. Силовой выход 7 каждого ММВ 2 соединен также с одним из силовых выходов 11 многопостового сварочного выпрямителя, к которому подключается один сварочный пост (не показано), а общее количество подключаемых сварочных постов равно n. Управляемый m-фазный мостовой выпрямитель 2 и блок 3 его управления выполнены по известной технологии, описанной, например, в [2].
Пример выполнения девятифазного двухпостового сварочного выпрямителя.
Сварочный выпрямитель содержит МАТВП 1 с двумя трехфазными первичными 4 и двумя девятифазными вторичными 5 обмотками, два управляемых девятифазных мостовых выпрямителя 2 и два блока управления 3.
МАТВП 1 выполнен на основе описания изобретения к патенту РФ №2246151, H 01 F 30/14, 2005 [5]. При этом трансформатор 1 (фиг.2, 3) содержит два боковых 12, один промежуточный 13 и два внутренних (не обозначено) витых кольцевых магнитопровода. Каждый внутренний магнитопровод выполнен из двух одинаковых колец 14, склеенных между собой по торцовым не шлифованным поверхностям. На торцовые шлифованные поверхности этих колец при помощи ферромагнитного клея наклеены шихтованные зубцы 15 прямоугольной формы, которые приварены к кольцам 14 (например, с помощью электродуговой сварки) по их внешней и внутренней образующим в точках сварки 16. Оси симметрии зубцов расположены относительно центра внутреннего магнитопровода под углом α=π/9.
В пазы, образованные зубцами 15, уложены секции трехфазных первичных 4 и девятифазных вторичных 5 обмоток, охватывающих внутренние магнитопроводы, причем каждый такой магнитопровод охватывает только одна первичная 4 и одна вторичная 5 обмотки. Торцами, противоположными приклеенным к внутренним магнитопроводам, зубцы 15 примыкают к промежуточному 13 и боковым 12 магнитопроводам. Высота промежуточного 13 и боковых 12 магнитопроводов равна высоте кольца 14 внутреннего магнитопровода.
Каждый управляемый девятифазный мостовой выпрямитель 2 выполнен по известной девятифазной мостовой схеме выпрямления с восемнадцатью
управляемыми вентилями, в качестве которых используются тиристоры. Каждый блок управления 3 тиристорами выполнен по известной схеме блока управления выпрямителя сварочного ВДУ-506 (Промышленные каталоги (тематическая подборка). Сварочные выпрямители (действующие каталоги серии 11.03). М.: Информэлектро, 1996) [6].
Заявляемый многопостовой сварочный выпрямитель работает следующим образом.
Трехфазное напряжение сети, подведенное к n первичным обмоткам 4 МАТВП 1, преобразуется в m-фазное вторичное напряжение n вторичных обмоток 5. Вторичное m-фазное напряжение выпрямляется с помощью n независимых управляемых m-фазных мостовых выпрямителей 2 (ММВ), выполненных на тиристорах (не показано). При этом регулировка и стабилизация сварочного тока на выходе каждого ММВ 2 обеспечивается соответствующим блоком управления 3 с помощью регулятора (не показано) за счет увеличения или уменьшения продолжительности открытого состояния тиристоров.
Увеличение количества постов достигается за счет изменения мощности используемого в качестве сварочного трансформатора многофазного агрегатированного трансформатора с вращающимся магнитным полем, построенного на основе многофазного трансформатора по патенту РФ на изобретение №2246151, H 01 F 30/14, 2005 [5]. Изменение мощности этого трансформатора происходит за счет варьирования количества однотипных средних (внутренних) кольцевых магнитопроводов с охватывающими их трехфазной первичной и m-фазной вторичной обмотками, и тиристорных выпрямительных блоков с блоками управления. Причем каждый однотипный элемент трансформатора рассчитан на один сварочный пост, а количество таких элементов в трансформаторе определяет количество постов многопостового сварочного выпрямителя. За счет этого достигается унификация заявляемого многопостового сварочного выпрямителя при увеличении количества постов.
В заявляемой полезной модели заявляемый технический результат: снижение расхода активных материалов в расчете на единицу полезной (активной выходной) мощности, достигается за счет того, что силовой трансформатор является многофазным агрегатированным трансформатором с вращающимся магнитным полем (МАТВП) с n трехфазными первичными и n m-фазными вторичными обмотками, причем каждая из вторичных обмоток подключена к
силовому входу соответствующего тиристорного выпрямительного блока, выполненного по m-фазной мостовой схеме.
Расход активных материалов на единицу полезной (активной выходной) мощности в заявляемой полезной модели равен : (см. фиг.8, пп.2.5, 2.6, 4.1).
Независимость работы сварочных постов обеспечивается наличием для каждого поста отдельных первичных и вторичных обмоток, тиристорного выпрямительного блока и блока управления.
Многопостовой сварочный выпрямитель (модель МСВМ-4×401) разработан в ДОАО «ЭЛЕКТРОГАЗ». Разработана конструкторская и эксплуатационная документация.
Производство заявляемого многопостового сварочного выпрямителя возможно на предприятиях электротехнической промышленности.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. Свидетельство РФ на полезную модель №23537, Н 02 М 5/14, 2002.
2. «Оборудование для дуговой сварки», справочное пособие под ред. Смирнова В.В., Энергоатомиздат, 1986.
3. Руденко B.C. и др. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. Школа, 1980.
4. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебник. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. 4.1. - 199 с.
5. Патент РФ на изобретение №2246151, H 01 F 30/14, 2005.
6. Промышленные каталоги (тематическая подборка). Сварочные выпрямители (действующие каталоги серии 11.03). М.: Информэлектро, 1996 (выпрямитель сварочный ВДУ-506).