УСТРОЙСТВО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРОЧНЫХ РАБОТ

режима сварки, выпрямление пониженного напряжения и подача его в цепь сварочного электрода через сглаживающий дроссель. Используемые в высокочастотных источниках питания инверторного типа трансформатор и дроссель отличаются меньшими габаритами и массой 2.
Основным недостатком источников питания инверторного типа, в которых используется способ регулирования тока нагрузки (ток сварки) за счет изменения длительности импульса выходного напряжения, является возникновение пульсирующего тока (режим прерывистых токов при уменьшении длительности импульса менее половины периода). Это приводит к нарушению стабильности тока сварки, увеличению разбрызгивания, появлению дефектов сварного шва и недостаточному провару. Нежелательная пульсация тока может быть ограничена путем увеличения реактивного сопротивления сглаживающего дросселя в цепи сварочного электрода, однако это приводит к снижению КПД и ухудшению рабочей характеристики источника питания, а так же увеличивает габариты и массу устройства источника питания.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является выбранное в качестве прототипа устройство преобразования сетевого напряжения в ток сварки, которое представляет собой систему электропитания постоянного тока для сварочных агрегатов и позволяет регулировать ток сварки в широких пределах, сохраняя при этом высокое качество сварочных работ. В данном устройстве предлагается использовать параллельное подключение нескольких инверторных блоков относительно малой мощности к общей цепи сварочного электрода, что позволяет суммировать выходные токи каждого блока в соответствии с заданным значением тока сварки 3.
Устройство содержит общий трехфазный выпрямитель сетевого переменного напряжения, к выходу которого подключены три инверторных блока, нагрузкой которых является общая цепь сварочного электрода, содержащая датчик общего выходного тока и
датчик напряжения сварочной цепи, сигналы с которых поступают по цепи обратной связи соответственно на усилитель тока рассогласования и усилитель напряжения рассогласования, где полученный сигнал сравнивается с заданными значениями тока и напряжения, после чего разностный сигнал ошибки поступает в схему формирования управляющего сигнала каждого инверторного блока. Сигнал с датчика общего выходного тока поступает также на компараторы второго и третьего инверторных блоков, которые обеспечивают приведение в действие или отключение соответствующих инверторных блоков в зависимости от требуемой величины сварочного тока. Каждый инверторный блок содержит схему формирования управляющих импульсов и транзисторный мостовой инвертор, в диагональ которого включена первичная обмотка выходного трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора каждого инверторного блока подключена к общей цепи сварочного электрода- через отдельный мостовой диодный выпрямитель, сглаживающий дроссель и собственный датчик выходного тока. Каждый инверторный блок позволяет регулировать выходной ток до 1/3 собственной выходной мощности за счет уменьщения длительности импульсов выходного напряжения, что дает возможность в схеме из трех инверторных блоков получить регулирование тока сварки до 1/9 суммарной выходной мощности.
Основным недостатком предложенного устройства системы электропитания является высокая стоимость изделия за счет тройного увеличения количества используемых элементов, а следовательно, и значительное увеличение габаритов и массы.
Предлагаемое устройство высокочастотного источника питания для сварочных работ направлено на устранение указанных выще недостатков и обеспечивает стабильность устойчивого горения дуги, высокую скорость срабатывания, компактность элементов устройства, возможность регулирования сварочного тока сварки в заданных пределах, качественное выполнение сварочных работ, как плавящимися, так и
неплавящимися электродами. Устройство имеет минимальные габариты, массу и
стоимость.
Это достигаепгся тем, что устройство представляет собой преобразователь напряжения сети в ток сварки, созданный на базе полумостового инвертора, в котором в качестве управляемых вентилей использованы мощные полевые транзисторы, позволяющие работать на частоте до 160 кГц, что приводит к значительному уменьшению габаритов и массы устройства.
Для получения падающей внешней характеристики источника питания, необходимой для обеспечения сварочного процесса, в данном устройстве используепгся способ регулирования выходного напряжения за счет изменения длительности импульсов выходного напряжения в пределах режима непрерывных токов. Регулирование тока сварки в необходимых пределах обеспечивается за счет изменения рабочей частоты инвертора, содержащего в  цепи нагрузки дополнительное реактивное сопротивление (дроссель переменного тока), падение напряжения на котором зависит от частоты, что позволяет при использовании рабочей частоты инвертора в пределах  кГц получить диапазон регулирования тока сварки от максимального значения до 1/4 не заходя в режим прерывистых токов, т.е. когда длительность паузы превышает длительность импульса. Режим прерывистых токов используется только для ограничения тока короткого замыкания в момент «залипания сварочного электрода при проведении сварочных работ.
Работа схемы данного устройства в пределах режима непрерывных токов, а также выбранная рабочая частота инвертора, позволяют обойтись без использования в цепи сварочного электрода сглаживающего дросселя, что приводит к значительному уменьшению габаритов и массы источника питания и позволяет получить форму кривой сварочного тока, приближенную к прямоугольной, что обеспечивает более качественное выполнение сварочных работ.
Схема высокочастотного импульсного источника питания содержит две обратные связи по току, одна из которых позволяет устанавливать необходимый ток сварки, а вторая обеспечивает ограничение тока короткого замыкания в цепи сварочного электрода на уровне ,51св, который задается требованиями к источникам питания для сварки.
Схема данного устройства обеспечивает наличие пиков повторного зажигания сварочной дуги в каждом импульсе выходного напряжения, что необходимо для стабилизации горения сварочной дуги и возможности ее некоторого удлинения при производстве сварочных работ.
Указанные технические решения в совокупности обеспечивают достижение указанных выше технических результатов.
Далее приводится описание варианта выполнения полезной модели.
На фигуре 1 - схема источника питания, реализуемая в предлагаемом устройстве; на фигуре 2 - диаграммы выходного напряжения при различных режимах работы устройства; на фигуре 3 - взаимодействие внешней характеристики устройства и вольтамперной характеристики сварочной дуги.
На фигурах приняты следующие обозначения: 1 - однофазный выпрямитель сетевого напряжения; 2 - регулятор тока короткого замыкания; 3 - регулятор тока сварки; 4 - блок управления инвертором; 5 - транзистор верхнего плеча полумоста; 6 транзистор нижнего плеча полумоста; 7 - рекуперационный диод верхнего плеча; 8 рекуперационный диод нижнего плеча; 9 - датчик тока инвертора; 10 - дроссель переменного тока; 11 - выходной трансформатор; 12 - конденсатор верхнего плеча; 13 - конденсатор нижнего плеча; 14 - выпрямитель выходного напряжения; 15 датчик тока сварки; 16 - цепь сварочного электрода; 17 - полумостовой транзисторный инвертор; 18 - внешняя характеристика устройства при максимальном токе сварки; 19 внешняя характристика устройства при минимальном токе сварки; 20 - вольт-амперная характеристика сварочной дуги.
предлагаемое устройство высокочастотного источника питания содержит однофазный выпрямитель сетевого напряжения 1, выход которого соединен с цепями питания полумостового инвертора 17, выполненного с применением мощных полевых транзисторов 5,6 и конденсаторов 12,13, соответственно верхнего и нижнего плеча полумоста. Параллельно транзисторам 5 и б включены рекуперационные диоды 7,8. В диагональ полумоста, т.е. между точками соединения транзисторов 5,6 и конденсаторов 12,13 последовательно включены датчик тока инвертора 9, дроссель переменного тока 10 и первичная обмотка выходного трансформатора 11. Вторичная обмотка выходного трансформатора 11 подключена к выпрямителю выходного напряжения 14 и к датчику тока сварки 15, к выходу которых подключена цепь сварочного электрода 16. Управляющий контур полумостового инвертора 17 содержит блок управления инвертором 4, схема которого является ноу-хау авторов, к которому подключены выходные клеммы датчика тока инвертора 9 и датчика тока сварки 15, а также регулятор тока короткого замыкания 2 и регулятор тока сварки 3.
Высокочастотный импульсный источник пгтгания для сварки работает следующим образом.
Однофазное сетевое напряжение промыщленной частоты (например 220 В, 50 Гц) преобразуется в постоянное напряжение с помощью выпрямителя 1 и подается в качестве питающего на полумостовой инвертор 17. Средняя точка питающего напряжения образуется искусственно с помощью делителя напряжения на конденсаторах 12 и 13. Транзисторы 5 и 6 соответственно верхнего и нижнего плеча открываются поочередно, в связи с чем в диагонали полумоста формируется высокочастотное переменное напряжение, частота и длительность импульсов которого задаются сигналами с блока управления 4, поступающими в виде прямоугольных управляющих импульсов на затворы транзисторов 5 и 6. В диагональ инвертора последовательно включены датчик тока инвертора 9, дроссель переменного тока 10 и выходной трансформатор 11, с помощью
/. -/ которого высокочастотное напряжение инвертора понижается до напряжения,
необходимого для режима сварки, и через диодный выпрямитель 14 подается в цепь сварочного электрода 16. Цепь сварочного электрода 16 содержит датчик тока 15 для контроля величины сварочного тока, сигнал с которого поступает на блок управления инвертором 4. Блок управления инвертором 4 содержит схему формирования управляющих импульсов, в которой сигнал, полученный от датчика тока сварки 15 сравнивается с заданным значением, которое устанавливается регулятором тока сварки 3, в результате чего на выходе блока управления 4 формируются управляющие импульсы с определенной длительностью и частотой, которые поступают на затворы транзисторов 5 и 6. Длительностью управляющих импульсов определяется действующее напряжение в сварочной цепи. Напряжению холостого хода источника питания соответствует максимальная длительность управляющих импульсов, в результате чего форма импульсов выходного напряжения в цепи сварочного электрода имеет вид, показанный на фигуре 2(а). При возникновении сварочного тока, длительность управляющих импульсов автоматически устанавливается схемой формирования на уровне, достаточном для поддержания режима непрерывных токов в схеме инвертора и необходимом для надежного закрывания транзисторов 5 и 6 после окончания коммутационного процесса. Амплитуда импульсов выходного напряжения уменьшается за счет падения напряжения на элементах схемы и, вследствие взаимодействия внещней характеристики источника питания и вольт-амперной характеристики сварочной дуги, действующее значение в цепи сварочного электрода устанавливается согласно зависимости:
UcB  20 + 0,04 IcB (см. фиг. 3)
Форма импульсов выходного напряжения в цепи сварочного электрода при максимальном значении тока сварки показана на фиг. 2(6).
Частота управляющих сигналов, поступающих с блока управления 4 на транзисторы 5 и 6, определяет рабочую частоту инвертора, в соответствии с которой
изменяется реактивное сопротивление дросселя переменного тока 10, включенного
последовательно с первичной обмоткой выходного трансформатора 11. Поэтому при увеличении частоты управляющих сигналов происходит уменьшение мощности источника питания, отдаваемой в цепь сварочного электрода, а т.к. напряжение на сварочной дуге, определяемое приведенной выше зависимостью, изменяется незначительно, то сварочный ток уменьшается пропорционально увеличению частоты. Таким образом это позволяет поддерживать выходной ток источника питания в соответствии с заданным значением тока сварки. На фигурах 2(в) и 2(г) показаны формы импульсов выходного напряжения при  и  выходной мощности источника питания соответственно.
При возникновении короткого замыкания в сварочной цепи, например, при залипании электрода в начальный момент сварочного процесса, происходит резкое возрастание тока в диагонали полумоста инвертора, которое регистрируется датчиком тока инвертора 9, сигнал с которого подается на блок управления инвертором 4, где при превышении заданного значения, установленного регулятором тока короткого замыкания 2, происходит резкое уменьшение длительности управляющих импульсов, поступающих на транзисторы 5 и 6 инвертора, вследствие чего происходит ограничение тока короткого замыкания (см. фиг. 2(д)).
Рекуперационные диоды 7 и 8, в связи с индуктивной нагрузкой инвертора, необходимы для создания цепи протекания тока от ЭДС самоиндукции в моменты, когда транзисторы 5 и 6 обоих плеч полумоста находятся в режиме отсечки, и предохраняют элементы схемы от возникающих при этом перенапряжений.
Экономичным и эффективным путем повышения устойчивости горения сварочной дуги является кратковременное увеличение напряжения на дуговом промежутке для повторного возбуждения дуги. В предполагаемой схеме в каждый момент коммутации транзистора входной ток полумостового инвертора претерпевает скачкообразное
iM.
изменение, которое вызывает возникновение затзгхающего колебательного процесса в
цепи питания инвертора. Данный переходный процесс, ввиду отсутствия в схеме фильтрующих элементов, а конкретно выходного сглаживающего дросселя, накладывается на фронте импульса выходного напряжения в виде кратковременного затухающего колебательного процесса, амплитуда пика которого примерно равна напряжению холостого хода источника питания (см. фиг. 2). Поэтому предлагаемая схема позволяет без использования дополнительных схемных решений получить в форме импульса выходного напряжения пик повторного зажигания, который обеспечивает стабильное горение сварочной дуги и возможность ее некоторого удлинения при проведении сварочных работ.
Таким образом предлагаемое устройство высокочастотного импульсного источника питания для сварочных работ, имеющее минимальные габариты, массу и стоимость, обеспечивает стабильность устойчивого горения дуги, высокую скорость срабатывания, компактность элементов устройства, возможность регулирования тока сварки в заданных пределах, качественное выполнение сварочных работ, как плавящимися, так и неплавящимися электродами.
Источники информации:
1.М.И.Закс, Б.А.Каганский, А.А.Печенин. «Трансформаторы для элекгродуговой сварки ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1988г.
2.Авторское свидетельсгво СССР Ха 1348105, кл. В 23К 9/10, 9/00, 1987.
3.Патент США № 4503316, кл. В23К9/10, опубл. 1985 г.