ТИРИСТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ
THYRISTOR POWER SUPPLY FOR ARC WELDING

Изобретение относится к области дуговой сварки металлов плавящимися электродами, в частности к электрической сварке на переменном токе.
Источник может быть использован для сварки металлоконструкций и изделий различной толщины при производстве монтажных и ремонтных работ в строительстве, в коммунальном хозяйстве, в быту и других областях народного хозяйства.
Известен источник питания для ручной дуговой сварки металлическими электродами, выбранный в качестве аналога (см. «Оборудование для дуговой сварки. Справочное пособие» / Под ред. В.В.Смирнова. - Л.: ЭАИ, 1986, С.378, рис.8.16, е, ж), содержащий силовой трансформатор, первичная обмотка которого подключена через двухполупериодный тиристорный ключ к питающей сети, а вторичная обмотка соединена параллельно со вторичной обмоткой импульсного трансформатора через последовательный конденсатор и подключена к нагрузке.
Недостатками такого устройства являются нестабильность амплитуды возбуждающего импульса, инициирующего дугу, в зависимости от угла регулирования тиристоров ключа и сложность настройки параметров стабилизирующего импульса при изменении тока нагрузки.
Известен также источник питания для дуговой сварки (см. патент №2066606 (РФ), B23K 9/067, бюлл. №26, 1996), содержащий трансформатор с первичной обмоткой, подключенный через встречно-параллельно соединенные тиристоры к сети переменного тока, и двухобмоточную катушку индуктивности, одна обмотка которого через последовательно-соединенный конденсатор подключена параллельно тиристорам, а его вторая обмотка подключена последовательно со вторичной обмоткой трансформатора и соединена с нагрузкой.
Недостатком такого источника питания являются большие масса и габариты за счет наличия катушки индуктивности, сложность настройки колебательного контура и зависимость запирающих свойств тиристоров от его собственной частоты.
Наиболее близким по технической сущности к достигаемому положительному эффекту является источник питания с импульсной стабилизацией для дуговой сварки, выбранный в качестве прототипа (см. патент №2283210 (РФ), B23K 9/06, бюлл. №25, 2006).
Тиристорный источник питания для дуговой сварки содержит силовой трансформатор, первичная обмотка которого подключена к зажимам питающей сети через двухполупериодный ключ, а вторичная обмотка соединена с нагрузкой, блок управления и узел коммутации на тиристорах с отсекающими диодами, между общими точками соединения которых одной обкладкой подключены коммутирующие конденсаторы, и импульсный трансформатор, первичная обмотка которого зашунтирована резистором.
Недостатком прототипа является малоэффективное использование узла искусственной коммутации, дополнительные потери мощности на резисторе и невысокая надежность возбуждения и стабильности горения дуги.
Целью изобретения является повышение надежности возбуждения и стабилизации горения дуги, снижение потерь мощности и оптимизация источника питания.
Поставленная цель достигается тем, что в тиристорный источник питания для дуговой сварки, содержащий силовой трансформатор, первичная обмотка которого подключена к зажимам питающей сети через двухполупериодный ключ на симисторе, а силовая вторичная обмотка соединена с нагрузкой, блок фазового управления, тиристоры с отсекающими диодами, между общими точками соединения которых установлены коммутирующие конденсаторы, введены двухсекционный магнитно-связанный дроссель и две дополнительные вторичные обмотки, каждая из которых одним концом подключена непосредственно к зажимам вторичной обмотки и одному выводу секции дросселя, а другим концом соединена с анодом диода и конденсатором, причем катоды тиристоров подключены к зажимам нагрузки.
Анализ известных технических решений в области источников питания для дуговой сварки позволяет констатировать выводы об отсутствии признаков, сходных с существенными признаками в заявляемом тиристорном источнике питания для дуговой сварки и признать заявляемое решение соответствующим критерию «существенные отличия».
Сущность изобретения заключается в том, что в один полупериод каждый конденсатор заряжается до амплитудного значения общего напряжения силовой и дополнительных вторичных обмоток, запасая электрическую энергию, а при отпирании тиристора в следующем полупериоде разряжается через секцию дросселя на нагрузку, к которой прикладывается суммарное напряжение силовой вторичной обмотки и высоковольтный импульс постоянной амплитуды большой длительности.
При одновременном отпирании двухполупериодного ключа и соответствующего тиристора в цепи предварительно заряженного конденсатора в диапазоне угла регулирования на нагрузку подается высоковольтный импульс большой длительности с частотой питающей сети в совпадающей полярности с напряжением холостого хода. Это создает добавку энергии разряжающегося конденсатора на дуговом промежутке и условия для надежного перехода искрового разряда высоковольтного импульса в дуговой разряд.
На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема тиристорного источника питания для дуговой сварки, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.
Тиристорный источник питания содержит силовой трансформатор 1 с минимальным рассеянием, первичная обмотка 2 которого подключена к зажимам питающей сети 3 через двухполупериодный ключ на симисторе 4, а силовая вторичная обмотка 5 соединена с нагрузкой 6. Дополнительные вторичные обмотки 7 и 8 подключены каждая одним концом непосредственно к зажимам силовой вторичной обмотки 5 и одному выводу секции 9 и 10 дросселя 11, а другим концом соединены с коммутирующими конденсаторами 12 и 13 и анодом диодов 14 и 15, соответственно. Тиристоры 16 и 17 подсоединены между вторыми выводами секций 9, 10 дросселя 11 и нагрузкой 6, при этом они вместе с симистором 4 подключены управляющими входами к блоку 18 фазового управления.
В положительный полупериод напряжения 19 питающей сети 3 (полярность показана без скобок) через диод 15 заряжается коммутирующий конденсатор 13 до амплитуды 20 суммарного напряжения вторичных обмоток 5, 7, 8 - :
током зарядки
C
C
где τ=L/R - постоянная времени; t - текущее время; Z - полное сопротивление цепи зарядки; U, i - напряжение и ток зарядки конденсатора.
В исходном состоянии полярность амплитуды напряжений 20 и 21 на обкладках коммутирующих конденсаторов 12 и 13 показана, соответственно: без скобок для положительного полупериода напряжения 19, а для отрицательного - в скобках. Принцип работы тиристорного источника питания поясним по временным диаграммам фиг.2.
В положительный полупериод напряжения 19 питающей сети 3 импульсом 22 с блока 18 фазового управления одновременно отпираются симистор 4 и тиристор 16. Коммутирующий конденсатор 12 разряжается по цепи: обкладка (+) - тиристор 16 - нагрузка 6 - секция 10 дросселя 11 - вторичная обмотка 5 - дополнительная обмотка 7 - обкладка (-), перезаряжаясь обратной полярностью напряжения 20 меньшей амплитуды.
К
Н
H
H
L
H
m
С момента α=α, отпирания симистора 4 и тиристора 16, по силовой вторичной обмотке 5 и нагрузке 6 начинает протекать ток 23, сдвинутый на угол α=φ=arctgωL/R, где X=ωL - индуктивность цепи, α=ωt - текущий момент времени. Разрядный импульс 24 тока накладывается на ток 23 в совпадающей полярности с напряжением холостого хода вторичной обмотки 5 трансформатора 1, протекая через нагрузку 6, секцию 10 дросселя 11 и вторичные обмотки 5, 7, прикладываясь к межэлектродному промежутку нагрузки 6. При высокой разности потенциалов между электродом и изделием нагрузки 6 воздух, ионизируясь, становится проводником тока, вследствие чего происходит зажигание дуги и ее длительное горение. Разряжаясь, коммутирующий конденсатор 12 перезаряжается обратной полярностью до напряжения . После смены полярности напряжения 19 коммутирующий конденсатор 12 теряет полярность и заряжается до U исходной полярностью напряжения 20. Длительность импульса 24 разрядки коммутирующего конденсатора 12 на нагрузку 6 зависит от индуктивности секции 10 дросселя 11.
Выделяющая в дуге мощность определяется суммой мощностей, передаваемой по силовой обмотке 5, и мощности импульса 24 конденсатора 12:
З
P
где u, i - мгновенное значение напряжения и тока; С и U - емкость и напряжение зарядки конденсатора; t - время разрядки конденсатора.
После загорания дуги напряжение на дуговом промежутке нагрузки 6 снижается до напряжения 25 дуги
Д
Д
где U, I - напряжение и ток дуги.
В отрицательном полупериоде напряжения 19 питающей сети 3 (ее полярность приведена в скобках) процессы протекают аналогично. Импульсом 26 открывается тиристор 17, коммутирующий конденсатор 13 разряжается через нагрузку 6, секцию 9 дросселя 11 и вторичные обмотки 5 и 8, заряжаясь обратной полярностью.
Приложение к нагрузке в момент отпирания двухполупериодного ключа импульса стабильной амплитуды 200-250 В длительностью 1,0-1,5 мс повышает условия зажигания и горения дуги, что позволяет снизить действующее значение напряжения силовой вторичной обмотки до 30-35 В.
Дополнительные вторичные обмотки выполняются проводом малого сечения, незначительно увеличивая массу трансформатора.
Наличие дросселя ограничивает ток короткого замыкания, делает внешнюю характеристику более крутопадающей, увеличивает длительность импульса, что повышает стабильность и надежность зажигания и горения дуги. Источник питания становится проще, что достигается за счет оптимизации схемы блока управления и силовой цепи, снижения потерь энергии и массы активных материалов.
Улучшенные условия возбуждения и стабилизации горения дуги позволяют на более качественном уровне проводить сварочные работы.