ОДНОФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ
SINGLE-PHASE RECTIFIER FOR ARC WELDING

Изобретение относится к области дуговой сварки металлов плавящимися электродами, в частности к электрической сварке на постоянном токе.
Однофазный выпрямитель может быть использован для сварки металлоконструкций и изделий ограниченной толщины при производстве ремонтных работ в быту, при сантехнических работах и во многих областях народного хозяйства, а также стартерного запуска двигателей автомобилей и зарядки аккумуляторный батарей.
Известен однофазный сварочный выпрямитель (см., например, патент №2060126 РФ от 20.05.1996), содержащий силовой трансформатор, вторичная обмотка которого состоит из частей, два тиристора, два диода и двухсекционный дроссель, подключенных к частям вторичной обмотки, причем число витков вторичной обмотки выбрано исходя из условий получения максимального и минимального сварочного тока, обеспечивая возбуждение и горение дуги.
Основным недостатком этого сварочного выпрямителя является сложность силовой схемы и схемы управления, вследствие чего невысокая надежность и большие потери в элементах выпрямительного устройства.
Известен тиристорный регулятор для ручной дуговой сварки металлическими электродами, выбранный в качестве аналога (см., например, http://scilab.narod.ru/svarreg.html статью Полушкина А. «Тиристорный регулятор для сварочного трансформатора»), содержащий трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к однофазной питающей сети, силовую вторичную обмотку, нагруженную на несимметричный диодно-тиристорный мостовой выпрямитель, и две дополнительные обмотки с мостовыми выпрямителями для питания схем блока управления и удвоитель напряжения.
Недостатками такого выпрямителя для дуговой сварки являются большие пульсации выпрямленного напряжения из-за отсутствия дросселя, потери в балластных сопротивлениях, низкий КПД, неоптимальная схема управления.
Наиболее близким по технической сущности к достигаемому положительному эффекту является сварочный выпрямитель для дуговой сварки, выбранный в качестве прототипа (см., например, статью Н.Зызлаева «Сваркой управляет электроника», - Моделист-конструктор, 2005, №1).
Сварочный выпрямитель содержит блок фазового управления, многообмоточный трансформатор блока управления, силовой трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к однофазной питающей сети, и две вторичные обмотки со средней точкой, одна из которых нагружена на силовой управляемый выпрямитель, а вторая - на диодный выпрямитель с дросселем, обеспечивающий подпитку сварочной цепи, и трансформатор тока в цепи управляемого выпрямителя.
Недостатками прототипа являются неудовлетворительные массогабаритные показатели из-за большой габаритной мощности силового трансформатора и наличия трансформатора управления, значительная индуктивность рассеяния, снижающая КПД и коэффициент мощности.
Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей, снижение пульсаций, массы и габаритов, повышение надежности работы выпрямителя за счет ограничения тока короткого замыкания и напряжения холостого хода.
Поставленная цель достигается тем, что в однофазный выпрямитель для дуговой сварки, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, силовая вторичная обмотка нагружена на несимметричный диодно-тиристорный мостовой выпрямитель, одна дополнительная вторичная обмотка подключена к блоку стабилизации дуги, соединенному с силовым дросселем, а вторая дополнительная вторичная обмотка соединена с блоком управления, содержащим широтно-импульсный модулятор вертикального принципа управления и датчик тока, введены блок защиты и последовательно с тиристорами отсекающие диоды и конденсатор, который установлен между общими точками их соединения, а между общими точками соединения тиристоров и диодов несимметричного мостового выпрямителя через датчик тока подключен силовой дроссель, а параллельно зажимам нагрузки через закрытый контакт токового реле подсоединен резистор, причем блок защиты входом подключен к датчику тока, выходом - ко входам блока управления и промежуточного реле.
Блок защиты выполнен на двух пороговых элементах, состоящих каждый из потенциометра напряжения уставки и стабилитрона на входе транзистора, причем в коллекторе одного транзистора включено промежуточное реле, зашунтированное обратным диодом, а в коллекторе другого подключен диод диодно-транзисторного оптрона, его транзистором зашунтирован потенциометр задающего напряжения, движок которого соединен с транзистором регулируемого сопротивления, шунтирующего резистор интегрирующей RC цепи, подключенной на вход широтно-импульсного модулятора блока управления.
Блок стабилизации дуги выполнен на диодном мостовом выпрямителе с конденсатором на выходе и разрядным тиристором, подключенным к общей точке соединения тиристоров и дросселя.
Анализ известных технических решений в области источников питания (выпрямителей) постоянного тока 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 переключение тиристоров выпрямителя происходит по заданному алгоритму, и проводящий тиристор может быть заперт в любой момент времени, предотвращая возможное короткое замыкание в цепи нагрузки. Такой режим обеспечивается накопленной энергией конденсатора, который в предыдущий полупериод заряжается до амплитудного значения напряжения питающей сети. При отпирании коммутирующего тиристора конденсатор, разряжаясь, запирает отпертый тиристор и перезаряжается током нагрузки до амплитудного значения напряжения силовой вторичной обмотки. Для повышения надежности горения дуги в выпрямителе использован блок импульсной стабилизации дуги.
На фиг.1 приведена принципиальная схема однофазного выпрямителя для дуговой сварки, на фиг.2 показана принципиальная схема порогового элемента, фиг.3 - внешняя характеристика выпрямителя, а на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы выпрямителя.
Однофазный выпрямитель содержит силовой трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого подключена к питающей сети, и три вторичных обмотки 4, 5 и 6. К силовой вторичной обмотке 3 подключен несимметричный диодно-тиристорный мостовой выпрямитель. Одна дополнительная вторичная обмотка 4 предназначена для питания блока 10 управления, а вторая обмотка 5 нагружена на блок 6 стабилизации дуги выпрямителя.
Блок 6 стабилизации дуги выполнен на мостовом диодном выпрямителе 7, к диагонали постоянного тока которого подключен конденсатор 8 и последовательно - разрядный тиристор 9, обеспечивающий импульсную стабилизацию горения дуги.
К общему узлу, являющемуся одним выводом нагрузки 15 (например, плюсом), подключены анодами (или катодами) тиристоры 11 и 12 несимметричного мостового выпрямителя, зажим блока стабилизации дуги и дроссель 13, соединенный последовательно с датчиком 14 тока.
Второй заземленный вывод образован общей точкой встречно-соединенных диодов 16 и 17 и является минусом нагрузки 15.
Последовательно с тиристорами 11 и 12 включены отсекающие диоды 18 и 19, между общими точками соединения которых подключен конденсатор 20. Блок 23 защиты входом подсоединен к датчику 14 тока, выполненному, например, на резистивном шунте с усилителем или на основе эффекта Холла фирмы LEM типа LT200P, а выходом подключен к закрытому контакту 21 промежуточного реле, соединенного с резистором 22, подключенным параллельно выводам нагрузки 15.
d
d
Питание пороговых элементов постоянным напряжением U, пропорциональным току I нагрузки, осуществляется от датчика 14 тока и выставляется потенциометром 24.
ОП
В блок 23 защиты входят два потенциометра 25 и 26, задающие опорное напряжение U, и два пороговых элемента, состоящих из стабилитронов 27, 28 и транзисторов 29, 30. В коллекторах транзисторов 29 и 30 включены промежуточное реле 31, зашунтированное обратным диодом 32, и транзисторная оптопара 33, соответственно.
П
d
d
ЗАД
1
35
36
к
УПР
УПР
Питание остальной части схемы блока защиты 23 обеспечивается от источника питания Е блока 10 управления. Выходное напряжение U и ток I сварки в нагрузке 15 устанавливается потенциометром 34, задающим напряжение U управления интегрирующей цепи на резисторе 35 и конденсаторе 36. Параллельно резистору 35 включены транзистор 37 с резистором 38, позволяющие изменять постоянную времени интегрирующей цепи: τ=RC-(R·C), соответствующую минимальному углу α≈3-5° и минимальному напряжению U, поступающему на вход широтно-импульсного модулятора (ШИМ) блока 10 управления. ШИМ выполнен на сравнении пилообразного треугольного напряжения с напряжением U.
Формируемые ШИМ импульсы 42, 43 в один полупериод напряжения 40 симметричны моменту π/2, заполнены высокочастотными импульсами и находятся в противофазе с импульсом 44. Аналогичны импульсы в следующем полупериоде.
d
d.ном
d
ЭКВ
35
38
37
35
38
37
1
ЭКВ
УПР
K
При токе сварки I=(1,2-1,25)·I увеличивается напряжение U на входе блока 23 защиты, пробивается стабилитрон 28 и отпирается транзистор 30. По диоду оптопары 33 потечет ток, преобразующийся в световой поток. Световым потоком диода оптопары 33 открывается фототранзистор, шунтирующий потенциометр 34, при этом прикрывается транзистор 37, изменяется эквивалентное сопротивление R=R·(R·R)/(R+R+R) и постоянная времени τ=R·C, определяющая напряжение U на входе ШИМа и угол α≤90° тиристоров 9, 11 и 12.
Следовательно, блок 23 защиты следит за изменениями тока сварки.
ОТС
Внешняя характеристика 41 выпрямителя приведена на фиг.3, подобна механической характеристике асинхронного двигателя и зависит от уставки тока I отсечки.
Суть работы выпрямителя состоит в следующем.
1
В исходном состоянии полярность зарядки конденсатора 20 показана на фиг.1. В положительный полупериод напряжения питающей сети (начало на обмотке 3 обозначено точкой) в момент t=φ перехода тока 39 в обмотке 3 ШИМ-импульсом 42 с блока 10 управления открывается тиристор 11.
d
При подключении нагрузки 15 по цепи: обмотка 3 - диод 18 - тиристор 11 - дроссель 13 - датчик 14 тока потечет ток I. Происходит перезарядка конденсатора 20 током нагрузки 15 через диоды 17 и 19 полярностью, показанной в скобках (кривые 45).
d
d
ОП
2
k
Когда постоянное напряжение U, пропоциональное току I нагрузки 15, превысит опорное напряжение U потенциометра 25, пробивается стабилитрон 27 и отпирается транзистор 29. Включается промежуточное реле 29, которое разомкнет свой контакт 21 и отключит балластный резистор 22, который обеспечивает контур протекания тока при отсутствии дуги нагрузки 15. В момент t=α ШИМ-сигналом 42 одновременно открываются разрядный тиристор 9 и тиристор 12. Конденсатор 8 блока 6 стабилизации дуги в течение 30-50 мкс разряжается на контур: дроссель 13 - датчик 14 тока - нагрузка 15, на дугу накладывается стабилизирующий импульс тока.
3
k
d
d
d
Обратным напряжением конденсатора 20, показанным на фиг.1 в скобках, запирается тиристор 11. Конденсатор 20, разряжаясь по цепи: (+) - тиристор 12 - дроссель 13 - датчик 14 тока - нагрузка 15 - диод 17 - вторичная обмотка 3 - диод 18 - (-), заряжается полярностью, показанной без скобок. По окончании перезарядки конденсатора 20 открывается диод 19, и образуется короткозамкнутый контур, по которому спадает по экспоненте запасенная электромагнитная энергия. В момент времени t=α+π импульсом 43 повторно открывается тиристор 11, обратным напряжением запирается тиристор 12, а к нагрузке 16 прикладываются удвоенные пульсации выпрямленного напряжения 46, при этом ток I 47 практически идеально сглажен. Одновременно конденсатор 20, разряжаясь через тиристор 11 - дроссель 13 - датчик 14 тока I - нагрузку 15 - диоды 17 и 19, перезаряжается током I нагрузки 15 полярностью, приведенной в скобках. Эпюры перезарядки конденсатора 20 показаны кривыми 45.
При высокой разности потенциалов между электродом и изделием нагрузки 15 воздух, ионизируясь, становится проводником тока, дуга загорается и длительно горит.
(1)
В отрицательном полупериоде напряжения сети 3 процессы повторяются с той лишь разницей, что дважды отпирается тиристор 12 и вступают в работу диоды 16 и 19, а коммутирующим становится тиристор 11. За счет удвоенной пульсации выходного напряжения коэффициент сглаживания становится в 5 раз меньше, что позволяет уменьшить индуктивность сглаживающего дросселя и его габариты. Кроме того, при таком способе управления гармонический состав тока, потребляемого из сети, оказывает на сеть минимальное влияние, т.к. основная гармоника (cosφ=1,0) и другие гармоники не имеют фазового сдвига. Амплитуда импульса стабилизации дуги около 200 В.
Выпрямленное напряжение нагрузки 16 определяется по формуле
.
K
m
Из уравнения видно, что при α=30° и амплитуде U=50 B выпрямленное напряжение не более 7,65 В. Это говорит о том, что предлагаемый выпрямитель может использоваться и как зарядное устройство, и как стартер для запуска автомобильных двигателей.
Из описания следует, что предлагаемый выпрямитель обладает широкими функциональными возможностями, высокими энергетическими и массогабаритными показателями, высокой надежностью.