ВЕНТИЛЬНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ
GATE RECTIFIER FOR ARC WELDING

Изобретение относится к области дуговой сварки металлов плавящимися электродами, в частности к электросварочным трансформаторам переменного тока.
Вентильный 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 для стартерного запуска двигателей автомобилей и зарядки аккумуляторный батарей.
Известен однофазный сварочный выпрямитель (см., например, патент РФ №2060126), содержащий силовой трансформатор, вторичная обмотка которого состоит из частей, два тиристора, два диода и двухсекционный дроссель, подключенные к частям вторичной обмотки, причем число витков вторичной обмотки выбрано исходя из условий получения максимального и минимального сварочного тока, обеспечивающих 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 (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, а также неоптимальная схема управления.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому эффекту является сварочный выпрямитель для дуговой сварки, выбранный в качестве прототипа (патент RU №2441734).
Вентильный выпрямитель содержит блок фазового управления, многообмоточный трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к однофазной питающей сети, и три вторичные обмотки, одна из которых нагружена на несимметричный диодно-тиристорный выпрямитель с коммутирующим конденсатором, вторая - на диодный мост блока стабилизации дуги, а третья - на блок управления с блоком защиты, причем одноименные электроды тиристоров через трансформатор тока и дроссель соединены с нагрузкой и блоком стабилизации дуги.
Недостатками прототипа являются сложность конструкции, большая габаритная мощность трансформатора, невысокая стабильность горения дуги.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение выпрямителя, снижение габаритной мощности силового трансформатора, получение более эффективной регулировочной характеристики, повышение стабильности горения дуги.
Поставленная цель достигается тем, что в вентильный выпрямитель для дуговой сварки, содержащий однофазный трехобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, одна вторичная обмотка соединена с блоком управления и защиты, а другая - нагружена на несимметричный тиристорно-диодный выпрямитель, и датчик тока, соединенный через блок защиты с блоком управления, в котором последовательно с тиристорами смежного плеча установлены отсекающие диоды и коммутирующий конденсатор между их одноименными электродами, введен импульсный трансформатор, который подключен первичной обмоткой, зашунтированной обратным диодом, между одноименными электродами тиристоров и диодов моста через датчик тока и нагрузку, а его вторичная обмотка нагружена на накопительный конденсатор и через динистор подключена к зажимам нагрузки, причем параллельно нагрузке установлен резистор.
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 вентильном выпрямителе 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 открытый тиристор и перезаряжается током нагрузки до амплитудного значения напряжения силовой вторичной обмотки. Один и тот же тиристорно-диодный ключ в течение полупериода выполняет поочередно функции регулирующего ключа и нулевого вентиля.
Для зажигании дуги используются импульсы, коммутирующие тиристоры, а для повышения надежности горения дуги в выпрямителе используется энергия накопительного конденсатора, заряжаемого от импульсного трансформатора.
На фиг.1 приведена принципиальная схема вентильного выпрямителя для дуговой сварки, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы выпрямителя.
Однофазный вентильный выпрямитель содержит силовой трансформатор 1, с первичной обмоткой 2, подключенной к питающей сети, и двумя вторичными обмотками 3 и 4. К силовой вторичной обмотке 3 подключен несимметричный диодно-тиристорный мостовой выпрямитель. Другая вторичная обмотка 4 предназначена для питания блока 5 управления, связанного с блоком защиты 6. К общему зажиму 7, образованному катодами (или анодами) тиристоров 8 и 9 несимметричного мостового выпрямителя, через датчик тока 10 подключен одним выводом импульсный трансформатор 11, соединенный с нагрузкой 12. Второй заземленный вывод образован общей точкой встречно-соединенных диодов 13 и 14 и является минусом нагрузки 12. Последовательно с тиристорами 8 и 9 включены отсекающие диоды 15 и 16, между общими точками соединения которых подключен коммутирующий конденсатор 17.
Первичная обмотка 18 импульсного трансформатора 11 зашунтирована обратным диодом 19, а его вторичная обмотка 20 нагружена на накопительный конденсатор 21 и через динистор 22 соединена с зажимом 7 (плюсом). Параллельно нагрузке 12 подключен резистор 23.
ОП
У
Блок защиты 6 входом подсоединен к датчику тока 12, выполненному, например, на резистивном шунте с усилителем или на основе эффекта Холла фирмы LEM типа LT200P, а выходом подключен к блоку управления 5 на базе широтно-импульсного модулятора (ШИМ). Сигнал датчика тока 10 сравнивается с опорным напряжением U, и разностный сигнал поступает на вход блока 5 управления ШИМом. Последний выполнен на сравнении пилообразного напряжения с постоянным напряжением U.
Суть работы выпрямителя при фазовом управлении по моменту включения регулирующего ключа состоит в следующем.
К
В исходном состоянии полярность зарядки конденсатора 17 показана на фиг.1. В положительный полупериод напряжения питающей сети (начало на обмотке 3 обозначено точкой) в момент α=0 ШИМ-импульсом с блока управления 5 открывается тиристор 9. Коммутирующий конденсатор 17, разряжаясь по цепи: +17-9-18-10-23-14-16-минус 17, перезаряжается обратной полярностью. При касании электродом детали образуется короткозамкнутый контур нагрузки: 9-18-10-12-13-15-9. На интервале 0≤α≤α ток 24 спадает по экспоненте, рассеиваясь на активных сопротивлениях контура.
К
К
При заданном угле коммутации α=α импульсом ШИМ с блока управления 5 отпирается тиристор 8 (фиг.1 и 2, г) и в диапазоне α≤α≤φ избыточная электромагнитная энергия нагрузки, протекая встречно с напряжением сети по цепи: 16-8-18-10-12-13 - обмотка 3, возвращается в сеть (фиг.2, а). В момент α=φ перехода тока 25 через нуль открывается тиристор 9 и в диапазоне φ≤α≤π по цепи: обмотка 3-15-9-18-10-12-14 - из сети потребляется ток 25. Коммутирующий конденсатор 17 перезаряжается по контуру: +17-9-18-10-12-14-16 - минус 17, при этом к нагрузке 12 прикладывается разрядный импульс, зажигающий дуги. Ток 26 нагрузки 12 представляет собой сумму токов 24 и 25, протекающих по вторичной обмотке 2 и силовым элементам выпрямителя, а на обмотке 3 формируется напряжение 27. Коммутирующий импульс, амплитудой около 300 В, поджигает дугу. При высокой разности потенциалов между электродом и изделием нагрузки 12 воздух, ионизируясь, становится проводником тока, дуга загорается и длительно горит. Кроме того, протекающий по импульсному трансформатору 11 ток 26 наводит в его вторичной обмотке 20 ЭДС, заряжающую накопительный конденсатор 21. При напряжении пробоя динистор 22 отпирается, и энергия накопительного конденсатора 21, амплитудой 40-60 В, поддерживает стабильное горение дуги.
К
В отрицательном полупериоде с момента α=π открывается тиристор 8, коммутирующий конденсатор 17 запирает тиристор 9, перезаряжаясь полярностью, показанной в скобках на Фиг.1. В диапазоне π≤α≤π+α образуется коротко замкнутый контур нагрузки 12, по которому протекает ток 24. В последний момент, согласно алгоритму рис.2, б, повторно отпирается тиристор 9, и образуется контур рекуперации электромагнитной энергии. К нагрузке 12 прикладывается коммутирующий и разрядный импульсы, зажигающие и поддерживающие горение дуги импульсы. На интервале π+φ≤α≤2π открыты тиристор 8 и диод 13. Далее процессы повторяются.
По нагрузке протекает выпрямленный ток 28, практически сглаженный. В отрицательном полупериоде напряжения обмотки 3 процессы повторяются с той лишь разницей, что дважды отпирается тиристор 8, и вступают в работу диоды 13 и 16. Выпрямленное напряжение 28 нагрузки 16 определяется по формуле
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mi>π</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>cos</mi><msub><mi>α</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
К
m
Из уравнения видно, что при α=60° (отсчет от α=π) и амплитуде U=50 В выпрямленное напряжение не более 7,96 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.