СВАРОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ
WELDING TRANSFORMER FOR MANUAL ARC WELDING

Изобретение относится к области дуговой сварки металлов плавящимися электродами, в частности к электрической сварке на переменном токе.
Изобретение может быть использовано для сварки металлоконструкций и изделий различной толщины при производстве монтажных и ремонтных работ в строительстве, в коммунальном хозяйстве, в быту и других областях народного хозяйства.
Известен источник питания для ручной дуговой сварки металлическими электродами, выбранный в качестве аналога (см., например, Оборудование для дуговой сварки. Справочное пособие. / Под ред. В.В. Смирнова. - Л.: ЭАИД986, с.378, рис.8.16, е, ж), содержащий силовой трансформатор, первичная обмотка которого подключена через двухполупериодный тиристорный ключ к питающей сети, а вторичная обмотка соединена параллельно со вторичной обмоткой импульсного трансформатора через последовательный конденсатор и подключена к нагрузке.
Недостатками такого устройства являются нестабильность амплитуды возбуждающего импульса, инициирующего дугу, в зависимости от угла регулирования тиристоров ключа, и сложность настройки параметров стабилизирующего импульса при изменении тока нагрузки.
Известен также источник питания для дуговой сварки (см., например, патент №2066606 (РФ), B23K 9/067, бюл. №26, 1996), содержащий трансформатор с первичной обмоткой, подключенной через встречно-параллельно соединенные тиристоры к сети переменного тока, и двухобмоточную катушку индуктивности, одна обмотка которой через последовательно-соединенный конденсатор подключена параллельно тиристорам, а ее вторая обмотка подключена последовательно со вторичной обмоткой трансформатора и соединена с нагрузкой.
Недостатками такого источника питания являются завышенные масса и габариты за счет наличия катушки индуктивности, сложность настройки колебательного контура и зависимость запирающих свойств тиристоров от его собственной частоты.
Наиболее близким по технической сущности к достигаемому положительному эффекту является тиристорный трансформатор для дуговой сварки, выбранный в качестве прототипа (патент №2441733 (РФ), B23K 9/06, бюл. №4, 2012). Тиристорный трансформатор содержит блок управления, импульсный трансформатор, тиристоры с отсекающими диодами, конденсатор и трансформатор стержневого типа (ТСТ). Полуобмотки ТСТ размещены на каждом стержне. ТСТ подключен к зажимам питающей сети первичной обмоткой через двухполупериодный тиристорный ключ, а вторичной обмоткой - к зажимам нагрузки. Первичная обмотка импульсного трансформатора, зашунтированная обратным диодом, подсоединена между одноименными электродами тиристоров и средним выводом первичной обмотки трансформатора стержневого типа. Тиристоры с отсекающими диодами, между общими точками соединения которых установлен конденсатор, подключены к зажимам питающей сети, а встречно-соединенные вторичные обмотки импульсного трансформатора через диоды подключены к зажимам нагрузки. Их общая точка связана со средним выводом вторичной обмотки трансформатора стержневого типа. За счет передачи в нагрузку мощности, передаваемой через трансформатор, и мощности импульсов повышается надежность возбуждения и стабильность горения дуги, снижаются потери в элементах трансформатора.
Недостатками прототипа являются: зависимость диапазона регулирования от угла регулирования и от параметров активно-индуктивной нагрузки, низкие энергетические показатели.
Целью изобретения является обеспечение независимости диапазона регулирования от параметров активно-индуктивной нагрузки, повышение энергетических показателей, упрощение схемы, повышение надежности возбуждения и стабилизации горения дуги, снижение потерь мощности.
Поставленная цель достигается тем, что в сварочный трансформатор для ручной дуговой сварки, содержащий трансформатор стержневого типа с полуобмотками на каждом стержне, блок управления, тиристоры с отсекающими диодами, между общими точками которых установлен коммутирующий конденсатор, причем тиристоры с отсекающими диодами и первичная обмотка трансформатора подключены к зажимам питающей сети, вторичная обмотка - к зажимам нагрузки, и импульсный трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена между одноименными электродами тиристоров и средним выводом первичной обмотки трансформатора стержневого типа, а встречно-соединенные вторичные обмотки импульсного трансформатора общей точкой связаны со средним выводом вторичной обмотки трансформатора стержневого типа, введены тиристоры и конденсаторы, шунтирующие вторичные обмотки импульсного трансформатора, подключенные через тиристоры к зажимам нагрузки и среднему выводу вторичных полуобмоток трансформатора стержневого типа.
Анализ известных технических решений в области источников питания для дуговой сварки позволяет констатировать выводы об отсутствии признаков, сходных с существенными признаками в заявляемом тиристорном источнике питания для дуговой сварки, и признать заявляемое решение соответствующим критерию «Существенные отличия».
Сущность изобретения заключается в том, что в один полупериод коммутирующий конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения питающей сети, запасая электрическую энергию, а при отпирании тиристора с отсекающим диодом в этом же полупериоде, перезаряжается током через первичную полуобмотку трансформатора стержневого типа и первичную обмотку импульсного трансформатора, при этом ко вторичной обмотке трансформатора стержневого типа прикладывается суммарное напряжение импульса коммутирующего конденсатора, передаваемое в первичную полуобмотку трансформа тора стержневого типа, и импульса напряжения постоянной амплитуды и большой длительности со вторичной обмотки импульсного трансформатора. Каждый тиристор с отсекающими диодами в течение полупериода открывается один раз, обеспечивая контур потребления мощности нагрузкой, и повторно отпирается, образуя контур рекуперации электромагнитной энергии в питающую сеть.
На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема сварочного трансформатора для ручной дуговой сварки, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.
Сварочный трансформатор для ручной дуговой сварки содержит трансформатор 1 стержневого типа с первичными полуобмотками 2.1 и 2.2 со средним выводом, подключенные к зажимам питающей сети 4, и со вторичными полуобмотками 3.1 и 3.2, соединенными с нагрузкой 5. К зажимам питающей сети 4 подключены тиристоры 6 и 7 с отсекающими диодами 8 и 9, между точками соединения которых установлен коммутирующий конденсатор 10. Одноименные электроды тиристоров 6 и 7 через первичную обмотку 11 импульсного трансформатора 12 соединены со средним выводом первичных полуобмоток 2.1, 2.2 трансформатора стержневого типа. Вторичные обмотки 13, 14 импульсного трансформатора 12, зашунтированные конденсаторами 15 и 16, через тиристоры 17 и 18 подключены к зажимам нагрузки и среднему выводу вторичных полуобмоток трансформатора стержневого типа. Блок управления 19 с широтно-импульсным модулятором вертикального принципа построения соединен с управляющими входами тиристоров 6, 7, 17 и 18.
В исходном состоянии конденсатор 10 заряжен обратной полярностью (в скобках), показанной для полярности питающей сети 4 (без скобок).
K
Принцип работы сварочного трансформатора 1 стержневого типа состоит в следующем: в положительном полупериоде напряжения 20 питающей сети 4 (без скобок) в момент α=0 (фиг.2) смены полярности напряжения питающей сети 4 открывается тиристор 6. Образуется короткозамкнутый контур первичной полуобмотки 2.1, а именно: 2.1 - диод 8 - тиристор 6 - обмотка 11 - 2.1, в котором ток 21 спадает по экспоненте, рассеиваясь на активных сопротивлениях контура. При угле коммутации α=α повторно отпирается тиристор 7, закрывая тиристор 6. Коммутирующий конденсатор 10, разряжаясь по контуру: +10 - тиристор 7 - обмотка 11 - обмотка 2.1 - ± сети 4 - диод 8 - минус 10, перезаряжается трансформируемым током 21 нагрузки 5 обратной полярностью в скобках (фиг.2, б), при этом тиристор 6 мгновенно запирается.
Конденсатор 15, заряженный от вторичной обмотки 13 импульсного трансформатора 12, при отпирании тиристора 17 разряжается на нагрузку 5 в совпадающей полярности напряжения сети 4 и совместно с импульсом коммутирующего конденсатора 10 прикладывается к нагрузке 5. Импульс 22 зажигания дуги длительностью 250-500 мкс и более складывается из суммы двух импульсов: коммутирующего конденсатора 10 и разрядного конденсатора 15 или 16. Толстыми линиями на фиг.2, б представлены моменты коммутации суммарных импульсов 22 конденсаторов 10, 15 (16), а тонкими линиями - моменты коммутации 23 коммутирующего конденсатора 10.
В момент α=φ перехода тока 21 через нуль отпирается тиристор 6 и обратным напряжением коммутирующего конденсатора 10 закрывает тиристор 7. По первичной обмотке 11 и первичной полуобмотке 2.2 потечет ток 21.
В результате к нагрузке 5 прикладывается мощность, определяемая суммой передаваемой мощности от питающей сети 4 и мощности суммарного импульса 22 зажигания дуги
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mi>u</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>C</mi><mtext> </mtext><msubsup><mi>U</mi><mi>З</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>t</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>т</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
З
р
где u, i - мгновенные значения напряжения и тока первичных полуобмоток трансформатора стержневого типа; C и U - суммарная емкость коммутирующего и разрядного конденсатора и напряжение их зарядки; t - время разрядки конденсаторов 10 и 16 (15).
При открывании тиристора 6 конденсатор 10 перезаряжается по цепи: (+)10-6-11-2.2-9-(-)10 полярностью, показанной без скобок (фиг.1 и 2, б).
При высокой разности потенциалов между электродом и изделием нагрузки 5, воздух, ионизируясь, становится проводником тока, вследствие чего происходит зажигание дуги и ее длительное горение.
Д
Д
Д
Д
K
После загорания дуги напряжение на дуговом промежутке нагрузки 5 снижается до напряжения 24 горения дуги U=20+0,04·I, где U, I - напряжение и ток горения дуги. До момента α=π+α напряжение на обкладках конденсатора 10 остается стабильным.
На фиг.2, в, г даны алгоритмы работы тиристоров 6 и 7, обозначенные 25 и 26, диапазон образования короткозамкнутых контуров обозначен цифрами 27 и 28, а цифрами 29, 30 - повторное включение тиристоров.
K
K
В отрицательном полупериоде напряжения сети 4 (полярность указана в скобках) на интервале π≤α≤π+α после отпирания тиристора 7 и запирания тиристора 6 образуется короткозамкнутый контур нагрузки 5: полуобмотка 2.2-9-7-11-2.2. При угле коммутации α=π+α повторно отпирается тиристор 6 (см. алгоритм работы тиристоров 6 и 7 - фиг.2, в и г) и избыточная электромагнитная энергия рекуперируется в сеть 4 через: 8-6-11-2.2. Ток 21 спадает до нуля в момент α=φ+π, и тиристор 6 закрывается. При разрядке конденсаторов 15 и 16 на нагрузку 5 тиристоры 17 и 18 запираются. На интервале φ+π≤α≤2π ток 21 протекает через диод 9, тиристор 7, обмотку 11 импульсного трансформатора 12 и полуобмотку 2.1. В это время обкладки коммутирующего конденсатора 10 заряжены полярностью, показанной без скобок (фиг.2, б). В момент α=2π повторно открывается тиристор 7, образуя короткозамкнутый контур нагрузки 5, при этом ток 21 продолжает поддерживать горение дуги. Приложение к нагрузке 5 в момент отпирания тиристоров с отсекающими диодами импульсов стабильной амплитуды 200-250 В длительностью до 0,5 мс повышает условия зажигания и горения дуги, что позволяет снизить действующее значение напряжения вторичных полуобмоток трансформатора стержневого типа до 28-32 В, снизив минимум в 2-2,5 раза число витков.
На фиг.1 заштрихованными косыми линиями показана зона потребления мощности (напряжение, нагрузки), а в клеточку - зона рекуперации. При относительном изменении этих зон форма кривой выходного напряжения не меняется.
Применение двух тиристоров с отсекающими диодами с принудительной коммутацией позволяет не только осуществлять регулирование выходного напряжения в течение всего периода напряжения сети, но и обеспечить непрерывное протекание тока, вследствие чего дуга зажигается и горит в течение полупериода. Вследствие этого повышаются энергетические показатели - коэффициент мощности, КПД. За счет наличия импульсного трансформатора источник напряжения превращается в источник тока, имеющий крутопадаюшую внешнюю характеристику. Кроме того, поскольку полуобмотки размещены на обоих стержнях коаксиально и соединены последовательно, то индуктивности рассеяния каждого стержня суммируются и общая индуктивность рассеяния будет практически в два раза меньше, чем при размещении обмоток на разных стержнях.
Улучшенные условия возбуждения и стабилизации горения дуги позволяют повысить надежность работы сварочного трансформатора и на более качественном уровне производить сварочные работы.
Мощность сварочного трансформатора может быть несколько десятков киловатт при минимальных массе и габаритах.