ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ
WELDING ARC POWER SUPPLY

Изобретение относится к области электротехники, а именно электросварочному оборудованию.
Известны источники питания сварочной дуги в виде сварочных трансформаторов, сварочных преобразователей, агрегатов, выпрямителей и осцилляторов (см., например, Ф.А.Хромченко. Сварка оборудования электростанции. - М.: Энергия, 1977 год, стр.104-110).
Все электроприемники этой категории крайне нежелательны для питающей сети из-за низкого (порядка 0,5÷0,7) коэффициента мощности и чрезмерного энергопотребления (см., например, В.И.Бенерман и Н.Н.Ловицкий. Проектирование силового оборудования промышленных предприятий, Госэнергоиздат Москва-Ленинград, 1960 год, стр.40).
Известны такие современные источники питания сварочной дуги в виде сварочных инверторов (см., например, В.П.Куликов. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки, Минск УП «Экоперспектива», 2003 год, стр.340-341).
Они имеют существенно меньшие весогабаритные показатели и потери энергии, но стоимость их значительна, и в принципе энергопотребление при сварке остается высоким.
Техническая причина - в чрезмерной мощности (6÷8 кВА и более) традиционных источников дуги, которая должна рассчитываться на режим возбуждения дуги (50÷80 В) и нужную крутизну падения вольт-амперной характеристики, чтобы за счет потерь выйти на режим устойчивого горения дуги (14÷25 В).
Из патентной литературы (патенты RU 2022735 С1, кл.В23 К9/06, 1994; RU 2172572 С2, кл.7 Н05В 7/144, 1999; RU 2170651 С1, кл.7 В23К 9/10, 1999) известны еще источники питания сварочной дуги, содержащие трансформатор с одной первичной и двумя вторичными обмотками, каждая из которых подключена к соответствующему выпрямителю, а выходы обоих выпрямителей соединены параллельно сварочным электродам. При этом в цепь одной из вторичных обмоток включено регулировочное сопротивление, а выпрямители выполнены неуправляемыми.
Такое исполнение позволяет уменьшить расчетную мощность источника дуги, но не исчерпывает возможности дальнейшего снижения весогабаритных показателей и улучшения эксплуатационных характеристик. К тому же их защита от перегрузки, как и всех известных источников питания сварочной дуги, выполняется разрывом значительного тока нагрузки, что исключает применение слаботочного теплового реле прямого действия, усложняет и удорожает защиту.
В качестве прототипа может быть выбран малогабаритный инверторный источник сварочного тока серии Caddy, выпускаемый фирмой ЭСАБ. Он содержит сетевой выпрямитель, инвертор, преобразующий выпрямленное напряжение в напряжение повышенной частоты, трансформатор, выходной выпрямитель и дроссель. Прототипу свойственны все недостатки инверторных источников, главными из которых являются высокие стоимость и расчетная мощность.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение - это снижение себестоимости элементной базы, расчетной мощности и энергопотребления, весогабаритных показателей и негативного влияния на питающую сеть.
Это достигается тем, что высокочастотный трансформатор инвертора выполнен с одной первичной и двумя соединенными последовательно или параллельно вторичными обмотками, каждая из которых подключена к своему выпрямителю, а выходы обоих выпрямителей соединены параллельно сварочным электродам. При этом одна из вторичных обмоток рассчитана на максимальный ток электрической нагрузки и низкое напряжение поддержания горения дуги, а вторая, одна или вместе с первой дающая напряжение зажигания (возбуждения) дуги во всех реальных режимах работы, выполнена минимальной мощности и в ее цепь последовательно включены нормально замкнутые контакты теплового реле прямого действия и регулировочное сопротивление с полным или частичным его шунтированием обмоткой электродвигателя обдува.
Сущность изобретения заключается в объединении полезных свойств и качеств источника питания сварочной дуги с двумя вторичными обмотками, дающего существенное снижение энергопотребления, и сварочного инвертора, элементная база которого уже подбирается на пониженную в 2÷3 раза расчетную мощность и упрощенную защиту.
Проведенный патентный поиск показал отсутствие источников сварочной дуги с предлагаемой совокупностью признаков.
Таким образом, в данном случае известные элементы объединены новыми связями, придают источникам питания сварочной дуги новые свойства, проявившиеся в положительных эффектах, вследствие чего решение может быть признано имеющим изобретательский уровень.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на Фиг.1 показана электрическая схема источника питания сварочной дуги при последовательном соединении вторичных обмоток трансформатора; на Фиг.2 показана электрическая схема источника при параллельном соединении вторичных обмоток трансформатора.
Функциональная схема источника питания сварочной дуги включает: сетевой одно- или трехфазный выпрямитель 1, инвертор 2, трансформатор 3 с первичной обмоткой 4 и двумя вторичными обмотками 5 и 6.
Вторичная обмотка 5 рассчитана на максимальный рабочий ток сварки и минимальное напряжение поддержания горения дуги (14÷25 В), а вторичная обмотка 6, одна (Фиг.2) или вместе с обмоткой 5 (Фиг.1) дающая максимально допустимое по условиям безопасности напряжение зажигания (возбуждения) дуги (50÷110 В), выполнена минимальной мощности на ток 0,5÷5 А.
Каждая из обмоток 5 и 6 подключена к своему выпрямителю соответственно 7 и 8, а выходы обоих выпрямителей соединены параллельно сварочному электроду 9 и свариваемой детали 10.
Для выравнивания выпрямленного однофазного напряжения перед инвертором 2 и электродами 9, 10 могут быть включены конденсаторы 11 и 12 или сглаживающие дроссели.
В цепь обмотки возбуждения дуги 6 последовательно включены нормально замкнутые контакты 13 теплового реле прямого действия (по подобию теплового регулятора утюга) и регулировочное сопротивление 14 с полным или частичным шунтированием его обмоткой электродвигателя обдува (ЭДО) 15. При этом регулировочное сопротивление 14 и электродвигатель обдува 15 могут быть включены как до (Фиг.1), так и после (Фиг.2) выпрямителя 8.
Инверторная часть источника питания сварочной дуги, в том числе и элементы коммутации инвертора (конденсаторы и катушки индуктивности), в принципе ничем не отличается от прототипа, но ввиду значительного снижения расчетной мощности элементная база его значительно облегчена и удешевлена.
Напряжение промышленной частоты преобразуется одно- или трехфазным входным выпрямителем 1 в постоянное порядка 500 В. Выпрямленное напряжение может быть сглажено дросселем или (и) конденсатором 11.
Это напряжение в свою очередь преобразуется с помощью инвертора 2 в переменное повышенной частоты (от единиц до десятков кГц), которое поступает в понижающий высокочастотный трансформатор 3.
Обе вторичные обмотки 5 и 6 трансформатора 3 нагружены на выходные диодные выпрямители 7 и 8 обратно пропорционально своим полным сопротивлениям. И поскольку вторичная обмотка 5 имеет внутреннее сопротивление в несколько раз меньше, чем обмотка традиционных трансформаторов, КПД источника будет значительно выше. Этому же способствует параллельное включение обеих вторичных обмоток к электродам 9 и 10.
Включение в цепь возбуждения дуги электродвигателя обдува 15 позволяет без дополнительного расхода электроэнергии снизить теплонапряженность всех частей источника и повысить стабильность горения дуги.
Таким образом, синтез схем сварочного инвертора и источника сварочной дуги с двумя вторичными обмотками объединяет и усиливает их полезные свойства и устраняет недостатки, присущие им в отдельности.