ТИРИСТОРНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ
THYRISTOR TRANSFORMER FOR ARC WELDING

Изобретение относится к области дуговой сварки металлов плавящимися электродами, в частности к электрической сварке на переменном токе.
Тиристорный трансформатор 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., например, Оборудование для дуговой сварки. Справочное пособие / Под ред. В.В.Смирнова. - Л.: ЭАИ, 1986, с.378, рис.8.16, е, ж), содержащее 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.
Недостаком 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., например, патент №2066606 (РФ), B23K 9/067, бюл. №26, 1996), содержащий трансформатор с первичной обмоткой, подключенной 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 завышенные 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., например, патент №2283210 (РФ), B23K 9/06, бюл. №25, 2006).
Недостатком прототипа является сложность тиристорного трансформатора, неэффективное 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.
Поставленная цель достигается тем, что в тиристорный трансформатор для дуговой сварки, содержащий блок управления, тиристоры с отсекающими диодами, два конденсатора и трансформатор, первичная обмотка которого через полуобмотки которого размещены на каждом стержне, подключен первичной обмоткой к зажимам питающей сети через двухполупериодный тиристорный ключ, а вторичной обмоткой - к зажимам нагрузки, первичная обмотка импульсного трансформатора, зашунтированная обратным диодом, подсоединена между одноименными электродами тиристоров и средней точкой первичной обмотки трансформатора, причем тиристоры с отсекающими диодами, между общими точками соединения которых установлен коммутирующий конденсатор, подключены к зажимам питающей сети, а встречно-соединенные вторичные обмотки импульсного трансформатора через диоды подключены к зажимам нагрузки, а их общая точка связана со средней точкой вторичной обмотки трансформатора.
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 конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения питающей сети, запасая электрическую энергию, а при коммутации тиристора в этом же полупериоде перезаряжается током нагрузки через первичную полуобмотку силового трансформатора и первичную обмотку импульсного трансформатора, при этом ко вторичной обмотке трансформатора прикладывается суммарное напряжение, передаваемое из сети по первичной обмотке трансформатора совместно с импульсами коммутации конденсатора и передаваемой со вторичной обмотки импульсного трансформатора.
На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема тиристорного трансформатора для дуговой сварки, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.
Тиристорный трансформатор для дуговой сварки содержит трансформатор 1 стержневого типа, полуобмотки 2.1, 2.2 и 3.1, 3.2 которого размещены на каждом стержне, подключен первичной обмоткой 2.1, 2.2 через двухполупериодный ключ на биполярных тиристорах 4 и 5 к зажимам питающей сети 6, а вторичной обмоткой 3.1 и 3.2 - зажимам нагрузки 7. При согласном соединении полуобмотки образуют средний вывод в обеих обмотках. К зажимам питающей сети 6 подключены также тиристоры 8 и 9 с отсекающими диодами 10 и 11, между точками соединения которых установлен коммутирующий конденсатор 12. Одноименные электроды тиристоров 8 и 9 через первичную обмотку 13 импульсного трансформатора, зашунтированную обратным диодом 14, соединены со средним выводом первичной обмотки 2.1, 2.2. Встречно-соединенные вторичные обмотки 15.1 и 15.2 через диоды 16 и 17 подключены к зажимам нагрузки 7, а их общая точка связана со средним выводом вторичной обмотки 3.1, 3.2 трансформатора 1.
В исходном состоянии конденсатор 12 заряжен обратной полярностью (в скобках), показанной для полярности питающей сети 6 (без скобок).
Принцип работы сварочного выпрямителя состоит в следующем.
1
В положительном полупериоде напряжения 18 питающей сети 6 (без скобок) в момент времени t (фиг.2) импульсом 19 с блока управления одновременно открываются тиристоры 10 и 4 двухполупериодного ключа 3.
Конденсатор 12, разряжаясь по цепи: (+) - тиристор 9 - первичная обмотка 13 импульсного трансформатора - средний вывод первичной обмотки 2.1, 2.2 - питающая сеть 6 - диод 10 - (-) 12, перезаряжается полярностью, показанной без скобок.
По обмотке 3.1, 3.2 протекает ток 21 и трансформируется разрядный импульс 22 через обмотки силового трансформатора 1 и суммарный импульс обмотки 13 импульсного трансформатора и трансформируемый со вторичной обмотки 15.2.
При высокой разности потенциалов между электродом и изделием нагрузки 7 воздух, ионизируясь, становится проводником тока, вследствие чего происходит зажигание дуги и ее длительное горение.
Выделяющаяся в дуге мощность определяется суммой мощности, передаваемой от питающей сети 6, и суммарной мощности импульса 22:
,
3
P
где u, i - мгновенные значения напряжения и тока; C и U - емкость конденсатора и напряжение его зарядки; t - время разрядки конденсатора.
Д
Д
Д
Д
После загорания дуги напряжение на дуговом промежутке нагрузки 7 снижается до напряжения 23 горения дуги U=20+0,04I, где U, I - напряжение и ток горения дуги.
2
До момента t напряжение на обкладках конденсатора 12 остается стабильным.
2
В отрицательном полупериоде напряжения питающей сети 6 (полярность отмечена в скобках) с момента t процессы протекают аналогично, но в работу вступают тиристоры 5, 8 и диод 11, а перезарядка конденсатора 12 происходит через первичную полуобмотку 2.1 трансформатора 1, тиристор 5 и питающую сеть, заряжая конденсатор 12 полярностью, показанной в скобках.
Приложение к нагрузке в момент отпирания двухполупериодного ключа импульса стабильной амплитуды 200-250 B длительностью до 0,5…1 мс повышает условия зажигания и горения дуги, что позволяет снизить действующее значение напряжения силовой вторичной обмотки до 28-32 B. Обмотки импульсного трансформатора выполнены проводом малого сечения, незначительно увеличивая массу тиристорного трансформатора, при этом размещение обмоток на стержневом магнитопроводе позволяет сделать внешнюю характеристику необходимой полого или крутопадающей, что повышает надежность работы сварочного источника питания. За счет передачи в нагрузку напряжения, достаточного для стабильного горения дуги, снижается расход активных материалов, снижаются потери энергии, упрощается схема блока управления.
Улучшенные условия возбуждения и стабилизации горения дуги позволяет повысить надежность работы сварочного трансформатора и на более качественном уровне проводить сварочные работы.
Мощность сварочного трансформатора может быть несколько десятков киловатт при минимальных массе и габаритах.