СВАРОЧНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
WELDING RECTIFIER

СВАРОЧНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
Изобретение относится к оборудованию для электродуговой сварки, в частности к сварочным выпрямителям, и может быть использовано в качестве источника постоянного тока, обеспечивающего режимы механизированной сварки в среде защитных газов, кроме того, выпрямитель может использоваться и в других случаях, когда необходимо обеспечить непрерывность тока в режимах глубокого регулирования.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен сварочный выпрямитель, содержащий трехстержневой трансформатор, на крайних стержнях которого расположены первичные обмотки, соединенные открытым треугольником, при этом вторичные обмотки на этих стержнях состоят каждая из двух полуобмоток с выведенной средней точкой, соединенных в один выходной зажим, начала и концы обмоток подключены к четырехфазной схеме выпрямления [Смирнов В.В. и др. Оборудование для дуговой сварки. - Л.: ЭАИ, 1986. - 650 с., стр.454].
К недостаткам устройства относится наличие трехстержневого трансформатора и большие пульсации выпрямленного напряжения, до 0,5 максимального значения, вследствие того, что фазовый сдвиг между двумя вторичными напряжениями составляет π/3.
Известен также сварочный выпрямитель, содержащий два полупроводниковых вентиля и два трансформатора, первичные обмотки которых объединены, отличающийся тем, что он снабжен двумя полупроводниковыми неуправляемыми диодами, а полупроводниковые вентили выполнены в виде полупроводниковых неуправляемых диодов, при этом трансформаторы снабжены дроссельными обмотками, каждая из которых расположена на одном магнитопроводе с первичной и вторичной обмотками, причем вторичные и дроссельные обмотки выполнены с отводами, при этом первичные обмотки трансформаторов соединены последовательно, а точка их соединения и свободные выводы соединены с выходными клеймами, каждый из выводов вторичных обмоток через диод соединен с первой выходной клеммой, а каждый из отводов вторичных обмоток через дроссельные обмотки соединен со второй выходной клеммой, причем дроссели выполнены на магнитопроводе с воздушным зазором (А.с. СССР №1833265, B23K 9/00).
Недостатками устройства являются значительные пульсации напряжения и тока, из-за сдвига по фазе выпрямленных напряжений на угол π/3, для сглаживания пульсаций требуются большие индуктивности двух дросселей, следствием чего является сложная конструкция трансформатора.
Наиболее близким по технической сущности является сварочный выпрямитель, содержащий первый однофазный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, второй однофазный трансформатор с первичной и двумя парами вторичных обмоток, дроссель, один вывод которого связан со вторичной обмоткой первого трансформатора, а второй вывод подключен к выходному зажиму, и четыре вентиля, первичные обмотки трансформаторов подключены к линейным напряжениям трехфазной сети, при этом вторичная обмотка первого трансформатора выполнена из двух полуобмоток, соединенных согласно последовательно и общая точка соединения которых подключена к одному выводу дросселя, начало одной вторичной полуобмотки первого трансформатора соединено последовательно с началом и концом одной пары вторичных обмоток второго трансформатора, конец второй полуобмотки первого трансформатора соединен последовательно с началом и концом второй пары вторичных обмоток второго трансформатора, другие начала и концы каждой из четырех вторичных обмоток второго трансформатора раздельно подключены к четырем катодам вентилей, аноды которых объединены во второй выходной зажим (RU 2268810, B23K, 9/10).
Недостатком устройства является наличие сложного переключателя первичных обмоток трансформаторов для получения необходимого диапазона выходного напряжения выпрямителя и отсутствие плавной регулировки выходного напряжения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого изобретения, сводится к получению плавной регулировки выходного напряжения с одновременным уменьшением пульсации выпрямленного напряжения и тока, снижением материалоемкости и стоимости устройства.
Технический результат достигается с помощью сварочного выпрямителя, содержащего два однофазных трансформатора с первичными и вторичными обмотками, дроссель, два выходных зажима и четыре вентиля, причем первичные обмотки трансформаторов подключены к трехфазной сети, при этом сварочный выпрямитель дополнительно снабжен двумя управляемыми вентилями, отпайками от вторичных обмоток на первом трансформаторе и двумя вторичными обмотками на втором трансформаторе, при этом в качестве вентилей используются диоды, а в качестве управляемых вентилей используются тиристоры, при этом первый трансформатор содержит первую и вторую вторичные обмотки, соединенные последовательно согласно, при этом точка соединения обмоток подключена к первому выводу дросселя, а второй вывод дросселя - к первому выходному зажиму, вторичные обмотки первого трансформатора снабжены отпайками, при этом отпайка первой вторичной обмотки первого трансформатора подключена к концу первой вторичной обмотки второго трансформатора, а отпайка второй вторичной обмотки первого трансформатора подключена к началу второй вторичной обмотки второго трансформатора, начало первой и конец второй вторичных обмоток второго трансформатора подключены к катодам неуправляемых вентилей, конец первой вторичной обмотки первого трансформатора подключен к точке соединения начала третьей и конца четвертой вторичной обмотки второго трансформатора, начало второй вторичной обмотки первого трансформатора подключено к точке соединения конца пятой и начала шестой вторичной обмотки второго трансформатора, конец третьей и начало пятой вторичной обмотки второго трансформатора подключены к катодам неуправляемых вентилей, начало четвертой и конец шестой обмотки подключены к катодам управляемых вентилей, при этом аноды управляемых и неуправляемых вентилей объединены во второй выходной зажим.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема сварочного выпрямителя.
На фиг.2 приведена векторная диаграмма вторичных напряжений на обмотках трансформаторов.
На фиг.3, 4, 5 приведены осциллограммы выходного напряжения выпрямителя в различных режимах.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сварочный выпрямитель (фиг.1) содержит однофазные трансформаторы 1 и 2, подключенные первичными обмотками 3 к трехфазной сети (на фиг.1 не показано), при этом первый трансформатор 1 содержит первую 4 и вторую 5 вторичные обмотки, начало первой вторичной обмотки 4 и конец второй вторичной обмотки 5 первого трансформатора 1 подключены к первому выводу дросселя 6, второй вывод дросселя 6 подключен к выходному зажиму 7 положительной полярности. Первая вторичная обмотка 4 первого трансформатора 1 имеет отпайку (на фиг.1 не показана), которая подключена к концу первой вторичной обмотки 8 второго трансформатора 2. Вторая вторичная обмотка 5 первого трансформатора 1 имеет отпайку, которая подключена к началу второй вторичной обмотки 9 второго трансформатора 2. Начало первой вторичной обмотки 8 второго трансформатора 2 подключено к катоду вентиля 10, конец второй вторичной обмотки 9 подключен к катоду вентиля 11. Конец первой вторичной обмотки 4 трансформатора 1 подключен в точку соединения начала третьей вторичной обмотки 12 и конца четвертой вторичной обмотки 13 второго трансформатора 2. Начало второй вторичной обмотки 5 трансформатора 1 подключено в точку соединения конца пятой вторичной обмотки 14 и начала шестой вторичной обмотки 15 второго трансформатора 2. Конец третьей вторичной обмотки 12 второго трансформатора 2 подключен к катоду вентиля 16, начало пятой вторичной обмотки 14 второго трансформатора 2 подключено к катоду вентиля 17. Начало четвертой вторичной обмотки 13 второго трансформатора 2 подключено к катоду управляемого вентиля 18, конец шестой вторичной обмотки 15 второго трансформатора 2 подключен к катоду управляемого вентиля 19. Аноды вентилей 10, 11, 16, 17 и управляемых вентилей 18, 19 объединены во второй выходной зажим 20 отрицательной полярности.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1-5
2-6
2-7
3-8
4-9
4-10
4
9
4-9
1-5
2-6
3-8
4-9
4-10
2-7
4-10
n
2-7
4-10
n
Устройство работает следующим образом: при подключении первичных обмоток 3 трансформаторов 1, 2 к трехфазной сети во вторичных обмотках 4, 5 трансформатора 1 наводятся напряжения U, U, U, U, точка соединения обмоток 4, 5 трансформатора 1 подключена к одному выводу дросселя 6, а второй вывод дросселя 6 - к выходному зажиму положительной полярности 7, на вторичных обмотках 8, 12, 13, 9, 14, 15 трансформатора 2 наводятся напряжения U, U, U, U, U, U, соответственно. При геометрическом сложении этих напряжений (фиг.2) образуются напряжения U, U, U, U, U, U, например векторы напряжения U и U при сложении образуют вектор U, остальные векторы складываются аналогично. Значение фазового сдвига между образованными векторами напряжения кратно π/2. С помощью вентилей 10, 11, 16,17 напряжения U, U, U, U, U выпрямляются и формируется постоянная составляющая напряжения сварочной дуги, особенностью которого является сдвиг полуволн напряжения на угол π/2 (фиг.3). Переменная составляющая напряжения сварочной дуги формируется из напряжений U, U с помощью управляемых вентилей 18, 19, которые управляются фазоимпульсным методом (управляющее устройство на фиг.1 не показано). При фазе управляющего сигнала α=0 на выходе выпрямителя формируется напряжение максимального значения (фиг.4) с коэффициентом пульсации k=0,34, а при фазе управляющего сигнала α=π вектора напряжений U, U равны нулю, следовательно, на выходе выпрямителя действует только постоянная составляющая напряжения сварочной дуги (фиг.3) с коэффициентом пульсации k=0,16. Промежуточные значения фазы управляющего сигнала в диапазоне α=(0×…π) позволяют получить плавную регулировку выходного напряжения, (фиг.5). Кратность регулирования выходного напряжения при использовании плавного регулирования и переключения первичных обмоток трансформаторов 1, 2 с линейных напряжений на фазные достигает значения 2,45. Аноды вентилей 10, 11, 16, 17 и управляемых вентилей 18, 19 объединены в выходной зажим отрицательной полярности 20, это позволяет конструктивно разместить вентили 10, 11, 16, 17 и управляемые вентили 18, 19 на общем охлаждающем радиаторе, что упрощает конструкцию сварочного выпрямителя.
Отсутствие нулевых значений в выпрямленном напряжении по сравнения с однофазными схемами повышает стабильность горения сварочной дуги и снижает индуктивность сглаживающего дросселя, уменьшая его габариты и массу. По сравнению с трехфазными схемами выпрямления рассматриваемый выпрямитель имеет меньшую стоимость, поскольку в нем используют только два однофазных силовых трансформатора. Токи, протекающие через вентили 10, 16, 11, 17, меньше в  раз, чем токи через управляемые вентили 18, 19, что позволяет снизить класс по току для неуправляемых вентилей 10, 16, 11, 17 и дополнительно удешевляет выпрямитель. С учетом уменьшения числа фаз выпрямления по сравнению со схемой Ларионова для изготовления первичной обмотки трансформатора требуется на 15% меньше меди.
На средних углах зажигания управляемых вентилей 18, 19 выходное напряжение сварочного выпрямителя имеет крутой фронт (фиг.4), в момент которого повышается сварочный ток, вследствие чего увеличивается электромагнитная сила, которая сбрасывает каплю расплавленного металла с конца электрода. Изменяя угол зажигания управляемых вентилей 18, 19, можно регулировать величину и фазу импульсов сварочного тока.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими техническими решениями имеет следующие преимущества:
1) снижение пульсаций выпрямленного напряжения и тока, достигнутого за счет наличия постоянной составляющей напряжения сварочной дуги и оптимального сдвига по фазе полуволн выпрямленных напряжений на угол π/2;
2) наличие постоянной составляющей в выпрямленном напряжении уменьшает вероятность возникновения прерывистых токов, следовательно, улучшается стабильность процесса сварки;
3) наличие крутого фронта импульса напряжения нормализует процесс перехода капель расплавленного металла в сварочную ванну и повышает стабильность сварочного процесса;
4) упрощение конструкции сварочного выпрямителя достигнуто за счет размещения вентилей и управляемых вентилей на общем охлаждающем радиаторе;
5) снижение материалоемкости достигнуто за счет уменьшения массы и габаритов дросселя в виду меньшего коэффициента пульсации;