БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСВАРКИ
TRANSFORMERLESS POWER SUPPLY FOR ELECTRIC WELDING

Изобретение относится к электронной импульсной технике и может быть использовано в строительстве, производстве и быту в качестве источника питания, предназначенного для дуговой и контактной электросварки постоянным током различных изделий.
Известен источник питания для дуговой сварки, содержащий транзисторный инвертор, вторичный выпрямитель, сглаживающий реактор, датчик тока, сумматор, функциональный генератор, формирователь напряжения задания, блок управления, коммутатор, компаратор, а также интегратор (RU 2103124 C1, 1998.01.27).
К недостаткам данного устройства следует отнести ограниченный частотный диапазон, а также высокий уровень пульсаций сварочного тока во время переходных процессов установления электрической дуги в стационарное состояние.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является сварочный источник питания для сварки на сильном токе, содержащий источник питания, инверторный каскад, сварочный трансформатор, выпрямитель, сглаживающий реактор (дроссель), средство управления для формирования сигнала выключения инвертора, транзисторный каскад, датчик измерения мгновенного значения тока сварки, компаратор для формирования сигнала слабого тока и схему защиты и управления током сварки (RU 2210474 С2, 2003.08.20).
Основным недостатком данной конструкции является возникновение высокочастотных паразитных колебаний в обмотках сварочного трансформатора при использовании широтно-импульсного регулирования выходной мощности устройства. Эти колебания появляются в тот момент, когда транзисторы (электронные ключи) инвертора закрыты, и первичная обмотка сварочного трансформатора оказывается отключенной на некоторое время от источника питания. В результате происходит дополнительный нагрев сварочного трансформатора, выпрямителя и транзисторных коммутаторов, что приводит к снижению надежности устройства. При изменении скважности управляющего сигнала в сторону увеличения уровень пульсаций выходного (сварочного) тока также увеличивается, причем возникает вероятность исчезновения электрической дуги в режиме малых токов.
Другим недостатком конструкции является использование сварочного трансформатора и полупроводникового выпрямителя, включенного в силовую цепь вторичных обмоток трансформатора. Данное обстоятельство понижает КПД сварочного источника, увеличивает его габариты и массу, а также снижает стабильность нагрузочных характеристик.
Технической задачей изобретения является создание бестрансформаторного источника питания для электросварки, обладающего высокой надежностью и стабильностью выходных рабочих характеристик, имеющего широкий частотный диапазон, высокий КПД, небольшие габариты и массу.
Эта техническая задача достигается тем, что в бестрансформаторный источник питания для электросварки, содержащий блок питания, трехфазный кольцевой тактовый генератор, три компаратора, задатчик напряжения, защитный диод и сглаживающий дроссель, выходом подключенный к сварочному электроду, введены девять электронных ключей и шесть накопительных конденсаторов, образуя при этом новое схемотехническое решение и дополнительные связи, причем свариваемая конструкция соединена с общей шиной устройства.
Функциональная схема, поясняющая работу бестрансформаторного источника питания для электросварки, представлена на Фиг.1.
На Фиг.2 в упрощенном виде показаны эпюры напряжений и токов, поясняющие работу функциональной схемы, без учета коммутационных выбросов и переходных процессов.
Бестрансформаторный источник питания для электросварки содержит блок питания 1, первым выводом соединенный с входами первого 3, четвертого 9 и седьмого 18 электронных ключей, трехфазный кольцевой тактовый генератор 2, первым выходом подключенный к первому управляющему входу восьмого ключа 20 и управляющим входам первого 3 и шестого 14 ключей, вторым выходом соединенный с первым управляющим входом второго 5 ключа и управляющими входами четвертого 9 и девятого 24 ключей, третьим выходом подключенный к первому управляющему входу пятого 11 ключа и управляющим входам третьего 8 и седьмого 18 ключей, задатчик напряжения 23, первым выводом соединенный со вторыми входами первого 6, второго 12 и третьего 21 компараторов, и сглаживающий дроссель 15, входом подключенный к первому выводу защитного диода 25 и выходам третьего 8, шестого 14 и девятого 24 ключей, выходом соединенный со сварочным электродом 16, выход первого ключа 3 подключен к первому выводу первого накопительного конденсатора 4 и входу второго ключа 5, выходом соединенного с первым выводом второго конденсатора 7, входом третьего ключа 8 и первым входом первого компаратора 6, выход которого подключен ко второму управляющему входу второго ключа 5, выход четвертого ключа 9 соединен с первым выводом третьего накопительного конденсатора 10 и входом пятого ключа 11, выходом подключенного к первому выводу четвертого конденсатора 13, входу шестого ключа 14 и первому входу второго компаратора 12, выход которого соединен со вторым управляющим входом пятого ключа 11, выход седьмого ключа 18 подключен к первому выводу пятого накопительного конденсатора 19 и входу восьмого ключа 20, выходом соединенного с первым выводом шестого конденсатора 22, входом девятого ключа 24 и первым входом третьего компаратора 21, выход которого подключен ко второму управляющему входу восьмого ключа 20, причем свариваемая конструкция 17 соединена с общей шиной, к которой подключены вторые выводы блока питания 1, накопительных конденсаторов 4, 7, 10, 13, 19, 22, задатчика напряжения 23 и защитного диода 25.
Описание работы устройства
Бестрансформаторный источник питания для электросварки содержит блок питания 1, трехфазный кольцевой тактовый генератор 2, девять (первый 3, второй 5, третий 8, четвертый 9, пятый 11, шестой 14, седьмой 18, восьмой 20, девятый 24) электронных ключей, шесть (первый 4, второй 7, третий 10, четвертый 13, пятый 19, шестой 22) накопительных конденсаторов, три (первый 6, второй 12, третий 21) компаратора, задатчик напряжения 23, защитный диод 25 и сглаживающий дроссель 15, выходом подключенный к сварочному электроду 16.
Тактовый генератор 2 вырабатывает управляющие опорные импульсы. Он работает по принципу кольцевого счетчика и имеет три выхода, к которым подключены управляющие входы электронных ключей 3, 5, 8, 9, 11, 14, 18, 20, 24. Если на одном из выходов генератора 2 присутствует высокий уровень напряжения, то на двух других его выходах напряжение равно нулю (эпюры а1, b1, с1).
Первый выход генератора 2 (а1) соединен с управляющими входами первого 3, шестого 14 и восьмого 20 электронных ключей. Второй выход генератора 2 (b1) подключен к управляющим входам второго 5, четвертого 9 и девятого 24 ключей. Третий выход генератора 2 (с1) соединен с управляющими входами третьего 8, пятого 11 и седьмого 18 ключей. Второй 5, пятый 11 и восьмой 20 ключи имеют два равноценных управляющих входа, если на любом из них присутствует низкий уровень напряжения, то ключ находится в закрытом состоянии. Когда на управляющем входе электронного ключа появляется высокий уровень напряжения, то он открывается, замыкая цепь между входом и выходом. Ключи 5, 11, 20 переходят в открытое состояние, если на обоих управляющих входах присутствует высокий уровень напряжения, по принципу логического умножения.
Устройство получает энергию от блока питания 1, который вырабатывает постоянное напряжение u1, поступающее на входы ключей 3, 9, 18. Первый вывод накопительного конденсатора 4 включен в цепь (а2) между выходом и входом ключей 3 и 5. Аналогично включен конденсатор 7 в цепь (а3) между выходом и входом ключей 5 и 8. Конденсаторы 10, 13 и 19, 22 подключены подобно конденсаторам 4, 7 в соответствующие цепи (b2, b3, с2, с3). Вторые выводы конденсаторов 4, 7, 10, 13, 19, 22, блока питания 1, задатчика напряжения 23 и защитного диода 25 соединены общей шиной, к которой подключена свариваемая конструкция 17.
Контроль напряжения на конденсаторах 7, 13, 22 осуществляется с помощью компараторов 6, 12, 21, первые входы которых соединены с первыми выводами конденсаторов 7, 13, 22, а вторые входы подключены к задатчику напряжения 23. Когда потенциал на любом из конденсаторов 7,13, 22 достигает напряжения u2 задатчика 23, то на выходе компараторов 6, 12, 21 устанавливается низкий уровень напряжения, переводящий соответствующие ключи 5, 11, 20 в закрытое состояние.
Дросель 15 представляет собой индуктивный сглаживающий фильтр, уменьшающий пульсации сварочного тока. Защитный диод 25 предупреждает опрокидывание фазы выходного напряжения во время коммутации ключей 8, 14, 24, фиксируя потенциал на входе дросселя 15 относительно общей шины.
В течение первого такта t0…t1 работы генератора 1 (эпюры a1, b1, с1) ключи 3, 14, 20 открыты, а ключи 5, 8, 9, 11, 18, 24 закрыты. Накопительный конденсатор 4 заряжается от блока питания 1 до максимального напряжения u1 (эпюра а2). Конденсаторы 10 и 19 имеют нулевой потенциал (эпюры b2, с2), поскольку ключи 9 и 18 закрыты. Напряжение на выходе ключей 8, 14, 24 также равно нулю, сварочный ток отсутствует (эпюра d).
Во время второго такта t1…t2 ключи 5, 9, 24 открыты, а ключи 3, 8, 11, 14, 18, 20 закрыты. Конденсатор 7 через открытый ключ 5 заряжается емкостным током от конденсатора 4 до напряжения u2 задатчика 23 (эпюра а3), поскольку в начале второго такта на выходе компаратора 6 присутствует сигнал высокого уровня. Как только напряжение на конденсаторе 7 становится равным напряжению u2 задатчика 23, на выходе компаратора 6 появляется нулевой потенциал, который переводит ключ 5 в закрытое состояние, заряд конденсатора 7 прекращается. В это же время накопительный конденсатор 10 через открытый ключ 9 заряжается от блока питания 1 до максимального напряжения u1 (эпюра b2). Конденсатор 19 имеет нулевой потенциал (эпюра с2), поскольку ключ 18 закрыт. Напряжение на выходе ключей 8, 14, 24 также равно нулю, сварочный ток отсутствует (эпюра d).
В течение третьего такта t2…t3 ключи 8, 11, 18 открыты, а ключи 3, 5, 9, 14, 20, 24 закрыты. Дроссель 15 подключается к конденсатору 7, который начинает разряжаться через открытый ключ 8 (эпюра а3), в результате чего в обмотке дросселя 15 образуется электрический сигнал, вызывающий появление сварочного тока (эпюра d) между электродом 16 и конструкцией 17. В это же время конденсатор 13 через открытый ключ 11 заряжается от конденсатора 10 до напряжения u2 (эпюра b3), а конденсатор 19 через открытый ключ 18 заряжается от блока питания 1 до напряжения u1 (эпюра с2).
На отрезке времени t3…t4 состояние всех ключей соответствует состоянию первого такта t0…t1 работы схемы, поскольку электрические сигналы на выходах генератора 2 принимают исходные значения. Конденсатор 22 через открытый ключ 20 заряжается от конденсатора 19 до напряжения u2 (эпюра с3), а конденсатор 4 через открытый ключ 3 подзаряжается от блока питания 1 до напряжения u1 (эпюра а2). В этот момент времени сварочный ток (эпюра d) поддерживается благодаря разряду конденсатора 13 через открытый ключ 14.
На отрезке времени t4…t5 сварочный ток (эпюра d) поддерживается конденсатором 22 через открытый ключ 14.
Дальнейшая работа схемы аналогична вышеприведенному описанию.
Наличие дросселя 15 обеспечивает эффективное сглаживание пульсаций сварочного тока. Минимальный уровень пульсаций обеспечивается при условии равенства значений емкостей конденсаторов:
С4=С10=С19 и С7=С13=С22, где число, стоящее рядом с условным обозначением емкости, соответствует позиции элемента на Фиг.1.
Бестрансформаторный источник питания работает по принципу емкостного трансформатора напряжения, в котором высокое постоянное напряжение 300…550 В преобразуется в низкое напряжение сварочного источника 40…110 В, обеспечивающего автономное зажигание электрической дуги и оптимальный сварочный ток, величина которого зависит от значений емкостей конденсаторов 4, 7, 10, 13, 19, 22 и напряжения задатчика 23.
Соотношение накопительных емкостей каждой ветви С4/С7, С10/С13, С19/С22 при условии полного разряда конденсаторов 7, 13, 22 в режиме сварки зависит от величины напряжений u1 и u2 и определяется следующим образом:
4
7
Q=Q+Q;
где Q - полный заряд конденсатора 4 (10 или 19) при напряжении u1;
4
Q - остаточный заряд конденсатора 4 (10 или 19) при открытом ключе 5;
7
Q - заряд конденсатора 7 (13 или 22) при открытом ключе 5
u1*C4=u2*C4+u2*C7; из этого выражения следует
C7≥C4(u1-u2)/u2.
Основным достоинством предлагаемого устройства является то, что блок питания 1 изолирован от нагрузки. Электрическая энергия от блока питания 1 передается к нагрузке в три этапа: сначала заряжаются накопительные конденсаторы 4, 10, 19 через открытые ключи 3, 9, 18, затем они передают свою энергию конденсаторам 7, 13, 22 посредством ключей 5, 11, 20 и на последнем этапе конденсаторы 7, 13, 22, разряжаясь через дроссель 15, образуют сварочный ток. Данное обстоятельство определяет высокую надежность и безопасность в работе всей конструкции.
Другим преимуществом является то, что электрическая энергия, подводимая к сварочному электроду, строго ограничена емкостью конденсаторов 7, 13, 22, следовательно, максимальная величина заданного сварочного тока не зависит от режима сварки. При возникновении перегрузок или во время переходных процессов величина сквозных или ударных токов, возникающих в силовых цепях, также ограничивается значениями емкостей накопительных конденсаторов 7, 13, 22.
Приведенная конструкция позволяет отказаться от сварочного трансформатора и силового полупроводникового выпрямителя, обеспечивая оптимальный режим работы и низкий уровень пульсаций сварочного тока.
Предлагаемая конструкция обеспечивает надежную работу емкостного преобразователя напряжения в диапазоне частот от 20 до 200 кГц и выше, при этом максимальный сварочный ток может достигать 160…200 А, а минимальный ток - 2…5 А.
Бестрансформаторный источник питания для электросварки обладает высокой стабильностью рабочих характеристик, его конструктивные возможности позволяют изготавливать оборудование, обеспечивающее высококачественную сварку тонких листовых материалов.
Предлагаемое устройство имеет высокий КПД, широкий диапазон использования, высокую надежность и большой срок эксплуатации.