ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в источниках питания сварочной дуги, источниках питания электровакуумных дуговых и магнетронных испарителей металлов для нанесения покрытий и других электротехнологиях.
Известен преобразователь постоянного тока в постоянный [1. Патент РФ на изобретение №1541726 5МПК Н02М 3/315, 3/337, опубликован 07.02.1990]. Этот преобразователь содержит мостовой инвертор на полностью управляемых ключах и два трехобмоточных дросселя (в [1] названные согласующим электромагнитным блоком, выполненным в виде двух реакторов), подключенных к выходу мостового инвертора. Первичные обмотки первого и второго дросселей включены между собой встречно последовательно и подключены к выходу мостового инвертора. Вторичные обмотки этих дросселей включены также встречно последовательно и через диоды выпрямителя соединены с первым выводом нагрузки, второй вывод которой подключен к общей точке соединения вторичных обмоток дросселей. Третьи обмотки дросселей также соединены встречно последовательно и через диоды подключены к первому входному выводу инвертора, а их общая точка подключена ко второму входному выводу инвертора.
Если в качестве нагрузки этого преобразователя использовать электрическую дугу, то он будет выполнять роль источника питания дуги. В данном преобразователе удачно совмещены функции сварочного трансформатора и фильтрующего дросселя, что делает эту схему простой, дешевой, с точки зрения конструкции, так как количество моточных изделий (трансформаторов и дросселей) в ней минимально. Однако дроссели в этом преобразователе работают в режиме непрерывного потока, что обуславливает большую инерционность преобразователя. Это не позволяет быстро изменять ток нагрузки при закорачивании электрода на изделие в момент зажигания дугового разряда, увеличивает время поджига дугового разряда и время перехода к стабильному процессу сварки, который происходит в режиме стабилизации сварочного тока. Кроме того, этот преобразователь не может сформировать повышенное напряжение поджига дуги в режиме стабилизации напряжения поджига дугового разряда, без завышения габаритной мощности всего преобразователя
Известен преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока [2. Патент РФ на полезную модель №87379, МПК В23К 9/00, Н02М 3/22 опубликован БИ №28, 10.10.09], который является близким по технической сути и взят за прототип. Преобразователь [2] содержит мостовой инвертор на управляемых ключах, к положительному входному выводу инвертора подключен катод диода, а к выводам переменного тока инвертора через согласующий электромагнитный блок и выпрямитель подключена нагрузка. Согласующий электромагнитный блок выполнен в виде двух многообмоточных дросселей, первичные обмотки которых включены встречно-последовательно, при этом первые одноименные концы вторичных обмоток объединены и подключены к первому выводу нагрузки, а вторые одноименные выводы вторичных обмоток через диоды выпрямителя подключены ко второму выводу нагрузки. Схема также дополнительно содержит конденсатор, подключенный параллельно нагрузке и дополнительный управляемый ключ, первый вывод которого подключен к отрицательному входному выводу инвертора, а его второй вывод соединен с общей точкой объединенных первичных обмоток дросселей согласующего электромагнитного блока и соединен с анодом диода. Известный преобразователь [2] обеспечивает высокую скорость нарастания тока в момент перехода преобразователя из режима стабилизации напряжения поджига дугового разряда в режим стабилизации сварочного тока. Причем в режиме стабилизации напряжения поджига дугового разряда обеспечивается повышенное напряжение на нагрузке без завышения габаритной мощности преобразователя, по крайней мере, в 2 раза по сравнению с максимальным напряжением в режиме стабилизации тока.
Однако при сварке короткой электрической дугой максимальное напряжение на дуге в режиме стабилизации сварочного тока не превышает значение напряжения примерно 20 В, в то время как для поджига дугового разряда требуется напряжение 60-90 В, что в 3-4,5 раза больше напряжения в режиме стабилизации тока. Известный преобразователь [2] в режиме поджига не обеспечивает такой кратности увеличения напряжения без завышения его габаритной мощности. Кроме того, преобразователь [2] в режиме стабилизации сварочного тока не обеспечивает равномерное распределение тока нагрузки между управляемыми ключами преобразователя, что уменьшает эксплуатационную надежность преобразователя, за счет возможного перегрева более нагруженных ключей.
Задачей полезной модели является обеспечение работы предлагаемого преобразователя при сварке короткой электрической дугой без завышения габаритной мощности магнитных элементов при одновременном повышении его эксплуатационной надежности.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении кратности увеличения выходного напряжения в режиме стабилизации напряжения поджига по сравнению с максимальным напряжением в режиме стабилизации сварочного тока без завышения габаритной мощности магнитных элементов преобразователя, при одновременном обеспечении равномерного распределения тока нагрузки в ключах преобразователя в режиме стабилизации сварочного тока.
Технический результат достигается следующим образом. Заявляемая полезная модель, как и прототип, содержит мостовой инвертор на управляемых ключах, подключенный к входным выводам, дополнительный управляемый ключ и согласующий электромагнитный блок. К выводам переменного тока инвертора через согласующий электромагнитный блок и выпрямитель подключена нагрузка, параллельно которой соединен конденсатор. Согласующий электромагнитный блок выполнен в виде двух многообмоточных дросселей, первичные обмотки которых включены встречно-последовательно. Первые одноименные концы вторичных обмоток объединены и подключены к первому выводу нагрузки. Вторые одноименные выводы вторичных обмоток через диоды выпрямителя подключены ко второму выводу нагрузки. Первый вывод дополнительного управляемого ключа подключен к отрицательному входному выводу инвертора, а его второй вывод соединен с общей точкой объединенных первичных обмоток дросселей согласующего электромагнитного блока и соединен с анодом диода.
В отличие от прототипа заявляемая полезная модель содержит второй дополнительный управляемый ключ. Первый вывод второго дополнительного управляемого ключа подключен к положительному выводу входного инвертора. Второй вывод второго дополнительного управляемого ключа соединен с катодом диода.
Совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели среди известных источников информации заявителями не обнаружена, что подтверждает ее новизну.
Отличительные признаки полезной модели в совокупности с известными признаками обеспечивают указанный выше технический результат. Это достигается введением в схему преобразователя второго дополнительного управляемого ключа, а также наличием новых электрических связей между элементами схемы. Благодаря этому обеспечивается работа предлагаемого преобразователя на короткую электрическую дугу без завышения габаритной мощности его магнитных элементов за счет повышения кратности увеличения выходного напряжения в режиме стабилизации напряжения поджига. А также появляется возможность равномерно распределить ток нагрузки между ключами преобразователя в режиме стабилизации тока.
Полезная модель поясняется примером конкретного выполнения и чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема преобразователя постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока. На фиг.2 приведена эквивалентная схема преобразователя. На фиг.3 представлены временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя в режиме стабилизации сварочного тока. На фиг.4 представлены временные диаграммы, поясняющие переход от режима стабилизации сварочного тока к режиму стабилизации напряжения поджига дугового разряда, а также работу преобразователя в режиме стабилизации напряжения поджига дугового разряда. На фиг.5 представлены временные диаграммы, поясняющие переход от режима стабилизации напряжения поджига дугового разряда к режиму стабилизации сварочного тока.
Преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока фиг.1 содержит мостовой инвертор, выполненный на полностью управляемых ключах 1-4, с положительным входным выводом 5 и отрицательным входным выводом 6, являющиеся соответственно положительным и отрицательным входами преобразователя. К выводам переменного тока 7, 8 инвертора подключен согласующий электромагнитный блок, выполненный в виде двух многообмоточных дросселей 9 и 10. Первичные обмотки 11, 12 дросселей 9, 10 включены между собой встречно последовательно и подключены к выводам переменного тока 7, 8 инвертора. Вторичные обмотки 13, 14 дросселей 9, 10 включены также встречно последовательно и через диоды 15, 16 выпрямителя соединены с первым выводом нагрузки 17, второй вывод нагрузки 17 подключен к общей точке соединения вторичных обмоток 13, 14. Первый вывод дополнительного управляемого ключа 18 подключен к отрицательному входному выводу 6 преобразователя. Второй вывод дополнительного управляемого ключа 18 образует общую точку с объединенными началами первичных обмоток 11, 12 многообмоточных дросселей 9, 10 и соединен с анодом диода 19, катод которого соединен со вторым выводом второго дополнительного управляемого ключа 20. Первый вывод второго дополнительного управляемого ключа 20 соединен с положительным входным выводом 5 преобразователя. Конденсатор 21 подключен параллельно нагрузке 17.
22
23
На фиг.2 изображена эквивалентная схема преобразователя постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока, на которой согласующий электромагнитный блок представлен как совокупность индуктивности намагничивания 22 и идеального трансформатора 9, а также индуктивности намагничивания 23 и идеального трансформатора 10. Приняты положительные направления токов I и I в дросселях намагничивания 22 и 23, показанные стрелками.
у1
у2
у3
у4
у20
у18
78
0
22
23
13
14
16
16
17
17
19
m1
m2
m1
m2
m3
m4
m4
m3
10
11
12
13
14
20
21
22
23
24
25
26
27
30
31
На фиг.3-5 использованы следующие обозначения: U - сигнал управления ключа 1, U - сигнал управления ключа 2, U - сигнал управления ключа 3, U - сигнал управления ключа 4, U - сигнал управления второго дополнительного управляемого ключа 20, U - сигнал управления дополнительного управляемого ключа 18, U - напряжение между точками 7 и 8, I - общий суммарный ток согласующегося электромагнитного блока, I - ток индуктивности намагничивания 22 приведенный к первичной обмотке трансформатора 9, I - ток индуктивности намагничивания 23 приведенный к первичной обмотке трансформатора 10, I - ток во вторичной обмотке трансформатора 9, I - ток во вторичной обмотке трансформатора 10, I - ток диода 16, U - напряжение на диоде 16, I - ток нагрузки 17, U - напряжение нагрузки 17, I - ток диода 19, Т - период, α - сдвиг фазы между стойками ключей мостового инвертора,  изменяется от 0 до Т/2, U - напряжение на нагрузке при α=1, U - напряжение на нагрузке при заданном α (U>U), изображенном на фиг.3, U - некоторое напряжение на нагрузке до перехода в режим стабилизации напряжения поджига дугового разряда, U - некоторое напряжение на нагрузке после перехода в режим стабилизации напряжения поджига дугового разряда (U>U), t - момент замыкания ключей 1 и 4 в режиме стабилизации сварочного тока, t - момент замыкания ключей 2 и 4 в режиме стабилизации сварочного тока, t - момент замыкания ключей 2 и 3 в режиме стабилизации сварочного тока, t - момент замыкания ключей 1 и 3 в режиме стабилизации сварочного тока, t - следующий момент замыкания ключей 1 и 4; t - момент начала перехода в режим стабилизации напряжения поджига дугового разряда, t - момент размыкания дополнительного ключа 18 при замкнутых ключах 1 и 4, t - момент времени замыкания дополнительного ключа 18, ключа 2 и размыкания ключа 1 в режиме стабилизации напряжения поджига дугового разряда, t - момент размыкания дополнительного ключа 18 при замкнутых ключах 2 и 3, t - момент размыкания дополнительного ключа 18 при замкнутых ключах 1 и 4, t - момент времени замыкания второго дополнительного ключа 20 и открытия диода 19 в режиме стабилизации напряжения поджига дугового разряда, t - момент времени замыкания дополнительного ключа 18, ключа 2 и размыкания ключа 1 и второго дополнительного ключа 20, t - момент завершения перехода в режим стабилизации напряжения поджига дугового разряда, t - момент времени поджига дугового разряда во время перехода от режима стабилизации напряжения поджига к режиму стабилизации тока сварки, t - момент перехода к режиму стабилизации тока сварки.
Работа преобразователя рассмотрена на конкретном примере, в котором полностью управляемые ключи 1-4 инвертора и дополнительные управляемые ключи 20 и 18 выполнены на биполярных транзисторах с изолированным затвором. Многообмоточные дроссели 9, 10 выполнены на ферритовых Ш-образных сердечниках с зазором. Нагрузка 17 представлена в виде активного сопротивления, эквивалентного сопротивлению дугового разряда.
Преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока в режиме стабилизации сварочного тока работает следующим образом.
10
К моменту t (фиг.3) замкнуты ключи 1 и 3. Многообмоточные дроссели 9 и 10 осуществляют передачу в нагрузку 17 накопленную в них энергию. Ток нагрузки представляет собой сумму токов вторичных обмоток 13 и 14, которые замыкаются по двум контурам: вторичная обмотка 13 - диод 15 - нагрузка 17 и вторичная обмотка 14 - диод 16 - нагрузка 17.
10
В момент t фиг.3 замыкаются ключи 1 и 4. К диоду 15 прикладывается обратное напряжение, и он закрывается. Ток вторичной обмотки 13 дросселя 9 переводится в первичную обмотку 11 и замыкается по контуру: положительный вход 5 преобразователя - ключ 1 - первичная обмотка 11 дросселя 9 - первичная обмотка 12 дросселя 10 - ключ 4 - отрицательный вход 6 преобразователя. На этом интервале дроссель 10 передает ранее накопленную энергию в нагрузку 17 и выполняет одновременно функцию трансформатора, осуществляющего прямую передачу энергии из источника питания через первичную обмотку в нагрузку 17. В это время дроссель 9 накапливает энергию и одновременно сглаживает ток, трансформируемый в нагрузку дросселем 10, играя роль фильтра.
11
10
В момент t фиг.3 ключ 1 размыкается, а ключ 2 замыкается, ток из первичной обмотки 11 дросселя 9 переводится во вторичную 13 и замыкается через диод 15 и нагрузку 17. По нагрузке 17, как и в момент времени t, течет сумма токов вторичных обмоток 13 и 14 дросселей 9 и 10.
12
В момент t фиг.3 замыкаются ключи 3 и 2. К диоду 16 прикладывается обратное напряжение, и он закрывается. Ток вторичной обмотки 14 дросселя 10 переводится в первичную обмотку 12 и замыкается по контуру: положительный вход 5 преобразователя - ключ 3 - первичная обмотка 12 дросселя 10 - первичная обмотка 11 дросселя 9 - ключ 2 - отрицательный вход 6 преобразователя. На этом интервале дроссель 9 передает ранее накопленную энергию в нагрузку 17 и выполняет одновременно функцию трансформатора, осуществляющего прямую передачу энергии из источника питания через первичную обмотку в нагрузку 17. В это время дроссель 10 накапливает энергию и одновременно сглаживает ток, трансформируемый в нагрузку дросселем 9, играя роль фильтра.
13
В момент t фиг.3 ключ 2 размыкается, а ключ 1 замыкается, многообмоточные дроссели 9 и 10 осуществляют передачу в нагрузку 17 накопленную в них энергию. Ток нагрузки представляет собой сумму токов вторичных обмоток 13 и 14, которые замыкаются по двум контурам: вторичная обмотка 13 - диод 15 - нагрузка 17 и вторичная обмотка 14 - диод 16 - нагрузка 17.
В режиме стабилизации сварочного тока дополнительные ключи 18 и 20 разомкнуты. Таким образом, в этом режиме реализовано фазовое управление транзисторными ключами, что обеспечивает равномерное распределение тока нагрузки между управляемыми ключами 1-4, их одинаковую температуру нагрева, что в целом повышает эксплуатационную надежность преобразователя.
20
В режиме стабилизации напряжения поджига дугового разряда преобразователь работает следующим образом. В момент времени t фиг.4 размыкаются все ключи, после чего замыкаются ключи 2, 4 и 18. Энергия, накопленная в дросселе 9 и 10, не изменяется. Ток первичных обмоток 11 и 12 замыкается по контурам: первичная обмотка 11 - дополнительный ключ 18 - ключ 2 и первичная обмотка 12 - ключ 18 - ключ 4. Напряжение на нагрузке поддерживается током разряда конденсатором 21.
21
В момент t фиг.4 размыкается дополнительный ключ 18. К диоду 16 прикладывается положительно напряжение, и он открывается. Ток первичной обмотки 12 дросселя 10 переводится во вторичную обмотку 14 и замыкается по контуру: вторичная обмотка 14 - диод 16 - выходная емкость 21 с параллельно включенной нагрузкой 17. Ток первичной обмотки 11 дросселя 9 замыкается по контуру: первичная обмотка 11 - первичная обмотка 12 - ключ 4 - отрицательный входной вывод 6 - положительный входной вывод 5 - ключ 1. На этом интервале дроссель 10 передает ранее накопленную энергию в нагрузку 17 и выполняет одновременно функцию трансформатора, осуществляющего прямую передачу энергии из источника питания через первичную обмотку в нагрузку 17. Дроссель 9 накапливает энергию и одновременно сглаживает ток, трансформируемый в нагрузку дросселем 10.
22
В момент времени t фиг.4 размыкается ключ 1 и замыкаются дополнительный ключ 18 и ключ 2. Энергия, накопленная в дросселях 9 и 10, не изменяется. Ток первичных обмоток 11 и 12 замыкается по контурам: первичная обмотка 11 - дополнительный ключ 18 - ключ 2 и первичная обмотка 12 - ключ 18 - ключ 4. Напряжение на нагрузке поддерживается током разряда конденсатора 21.
23
В момент времени t фиг.4 размыкается дополнительный ключ 18. К диоду 15 прикладывается положительное напряжение, и он открывается. Ток первичной обмотки 11 дросселя 9 переводится во вторичную обмотку 13 и замыкается по контуру: вторичная обмотка 13 - диод 15 - выходная емкость 21 с параллельно включенной нагрузкой 17. Ток первичной обмотки 12 дросселя 10 замыкается по контуру: первичная обмотка 12 - первичная обмотка 11 - ключ 2 - отрицательный входной вывод 6 - положительный входной вывод 5 - ключ 3. На этом интервале дроссель 9 передает ранее накопленную энергию в нагрузку 17 и выполняет одновременно функцию трансформатора, осуществляющего прямую передачу энергии из источника питания через первичную обмотку в нагрузку 17. Дроссель 10 накапливает энергию и одновременно сглаживает ток, трансформируемый в нагрузку дросселем 9.
24
25
В момент t фиг.4 размыкается дополнительный ключ 18. К диоду 16 прикладывается положительно напряжение, и он открывается. Ток первичной обмотки 12 дросселя 10 переводится во вторичную обмотку 14 и замыкается по контуру: вторичная обмотка 14 - диод 16 - выходная емкость 21 с параллельно включенной нагрузкой 17. Ток первичной обмотки 11 дросселя 9 замыкается по контуру: первичная обмотка 11 - первичная обмотка 12 - ключ 4 - отрицательный входной вывод 6 - положительный входной вывод 5 - ключ 1. На этом интервале дроссель 10 передает ранее накопленную энергию в нагрузку 17 и выполняет одновременно функцию трансформатора, осуществляющего прямую передачу энергии из источника питания через первичную обмотку в нагрузку 17. Дроссель 9 накапливает энергию и одновременно сглаживает ток, трансформируемый в нагрузку дросселем 10. Выходная емкость 21 накапливает энергию до момента времени t, когда напряжение на емкости 21 будет равно напряжению заданной кратности, умноженному на коэффициент трансформации дросселя 10.
25
В момент времени t фиг.4 напряжение на емкости 21 достигает значения равного напряжению заданной кратности, умноженному на коэффициент трансформации дросселя 10, к диоду 19 прикладывается положительное напряжение, и он открывается. Происходит перераспределение тока вторичной обмотки 14 дросселя 10. Часть тока переходит в первичную обмотку 12 и замыкается по контуру: первичная обмотка 12 дросселя 10 - диод 19 - дополнительный ключ 20 - положительный входной вывод 5 - отрицательный входной вывод 6 - ключ 4. В обмотке 14 остается ток, значение которого обеспечивает поддержание напряжения на емкости 21 без изменений. Ток первичной обмотки 11 дросселя 9 замыкается по контуру: первичная обмотка 11 - диод 19 - дополнительный ключ 20 - ключ 1. На этом интервале времени дроссель 10 передает энергию, накопленную ранее, как в нагрузку, так и в источник питания, подключенный к входным клеммам 5 и 6 преобразователя. Дроссель 9 сохраняет свою энергию без изменений.
26
В момент времени t фиг.5 размыкаются ключи 1, 20 и замыкаются дополнительный ключ 18 и ключ 2. Энергия, накопленная в дросселях 9 и 10, не изменяется. Ток первичных обмоток 11 и 12 замыкается по контурам: первичная обмотка 11 - дополнительный ключ 18 - ключ 2 и первичная обмотка 12 - ключ 18 - ключ 4. Напряжение на нагрузке поддерживается током разряда конденсатора 21.
27
26
27
m4
В момент времени t фиг.4 устанавливается состояние, аналогичное моменту t и процессы повторяются. Момент времени t характеризует завершение перехода в режим стабилизации напряжения поджига дугового разряда. Напряжение U в этом случае может достигать величины многократно (в 3-4,5 и более раз) большей, чем напряжение на дуге в режиме стабилизации сварочного тока. В этом режиме реализуется широтно-импульсное регулирование длительности включенного состояния управляемых ключей 1-4, что не обеспечивает равномерного деления тока между указанными ключами. Но этот режим является кратковременным по сравнению с режимом стабилизации сварочного тока, что не ухудшает эксплуатационную надежность преобразователя.
30
30
31
12
Переход от режима стабилизации напряжения поджига дугового разряда к режиму стабилизации сварочного тока показан на фиг.5. В режиме стабилизации напряжения поджига дугового разряда в дросселях 9 и 10 накоплена энергия, необходимая для режима стабилизации сварочного тока. Поджиг может происходить в любой момент времени работы преобразователя. На фиг.5. момент поджига происходит в момент t. Время поджига определяется моментом снижения напряжения на нагрузке. При этом размыкаются все замкнутые ключи. Многообмоточные дроссели 9 и 10 начинают передавать в нагрузку 17 накопленную в них энергию. Ток нагрузки представляет собой сумму токов вторичных обмоток 13 и 14, которые замыкаются по двум контурам: вторичная обмотка 13 - диод 15 - нагрузка 17 и вторичная обмотка 14 - диод 16 - нагрузка 17. Скорость нарастания тока в нагрузке 17 в момент t ни чем не ограничена. Таким образом, ток в нагрузке 17 мгновенно устанавливается на заданном уровне. Переход преобразователя в режим стабилизации сварочного тока должен происходить в тот момент, когда ток через диод 19 станет равным нулю. Иначе за счет того, что дроссели 11, 12 не сбросили до конца свою энергию, появится перенапряжение, которое приложится к ключу 18, что может привести к выходу его из строя. Причем, момент времени t соответствует моменту времени t фиг.3. режима стабилизации сварочного тока. Далее преобразователь продолжает работать в этом режиме.
Таким образом, при введении второго дополнительного управляемого ключа 20 и появившихся новых электрических связей в схеме преобразователя, мы можем повысить кратность увеличения выходного напряжения в режиме стабилизации напряжения поджига по сравнению с максимальным напряжением в режиме стабилизации тока без завышения габаритной мощности магнитных элементов преобразователя при одновременном обеспечении равномерного распределения тока нагрузки в ключах преобразователя в режиме стабилизации тока. Это позволяет обеспечить работу предлагаемого преобразователя при сварке короткой электрической дугой без завышения габаритной мощности его магнитных элементов.
Приведенный пример выполнения преобразователя постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока не ограничивает другие возможные примеры реализации данного преобразователя и его блоков, например управляемых ключей.
Полезная модель промышленно применима и может быть многократно реализована на известной элементной базе, (например IGBT транзисторах или MOSFET транзисторах).