УСТРОЙСТВО ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ В СРЕДЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Заявляемая полезная модель относится к электродуговой сварке, в частности, к аппаратам полуавтоматической дуговой сварки в активных защитных газах.
Среди полуавтоматов для сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа известны, например, промышленно выпускаемые полуавтоматы ПДГ-312, ПДГ-515, ПДГ-516 и ПДГ-603 («Оборудование для дуговой сварки», справочное пособие под ред. Смирнова В.В., Энергоатомиздат, 1986. [1]), имеющие источник сварочного тока, подающее устройство, сварочный узел, пульт дистанционного управления и блок управления.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является сварочный полуавтомат ПДГ-3030, выпускаемый заводом «Электрик», г. С.-Петербург [2], содержащий источник сварочного тока - сварочный выпрямитель ВДУ-3020, подающее устройство МПО-41, блок управления БУ-043-1, сварочный узел, пульт дистанционного управления.
Недостатком указанных полуавтоматов является невозможность обеспечения высокого качества сварного шва, высокие потери электроэнергии при проведении сварочных работ, негативное влияние на качество электроэнергии питающей сети. Это связано с тем, что источники сварочного тока полуавтоматов имеют низкий КПД (70%), низкий коэффициент мощности (не более 0,75), большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения.
Техническим результатом, достигаемым заявляемой полезной моделью, является повышение качества сварного шва, уменьшение искажающего воздействия на напряжение питающей сети и уменьшение энергопотребления за счет увеличения значений коэффициента мощности и коэффициента полезного действия источника сварочного тока, а также уменьшения значения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что устройство полуавтоматической дуговой сварки в среде углекислого газа содержит источник сварочного тока, подающее устройство, сварочный узел, пульт дистанционного управления и блок управления, причем выход источника сварочного тока соединен с силовым входом подающего устройства, выход подающего устройства соединен со сварочным узлом, управляющий выход блока управления соединен с управляющим входом подающего устройства, а пульт дистанционного управления
соединен с управляющим входом блока управления, при этом источник сварочного тока выполнен в виде многофазного сварочного выпрямителя, содержащего многофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем (МТВП) с трехфазной первичной и m-фазной вторичной обмотками, управляемый m-фазный мостовой выпрямитель (ММВ) и блок управления выпрямителем, причем вторичная обмотка МТВП соединена с силовым входом ММВ, а выход ММВ соединен с управляющим входом блока управления выпрямителем, выход которого соединен с управляющим входом ММВ, причем силовой выход ММВ является также выходом источника сварочного тока.
Достижение технического результата основывается на следующих доказательствах.
Известно, что коэффициент мощности источника сварочного тока (сварочного выпрямителя) определяется следующим соотношением [3, с.14, формула (1.22)]:
ci
Где I - действующее значение i-й гармонической составляющей тока, потребляемого сварочным полуавтоматом из сети (i=2, 3...);
ν - коэффициент искажения тока, потребляемого сварочным полуавтоматом из сети.
В свою очередь гармонический состав тока на входе источника сварочного тока определяется неравенством [4, с.145, формула (3.6.6)]:
Где q - тактность схемы выпрямления;
m - число фаз входного напряжения схемы выпрямления (фазность схемы выпрямления).
Таким образом, с увеличением фазности схемы выпрямления m порядок гармонических составляющих тока i возрастает (например, в трехфазном мостовом выпрямителе, также как и в выпрямителе с простой шестифазной схемой выпрямления с нулевой точкой, в кривой потребляемого тока кроме первой присутствуют гармонические составляющие порядка i≥2·3±1=6±1 т.е. 5-го и более высокого порядка (фиг.3), а в девятифазном мостовом выпрямителе i≥2·9+1=18±1 т.е. уже 17-го и более высокого порядка (фиг.4)) и коэффициент
мощности (фиг.7, п.3.1) выпрямителя повышается, так как  сумма при этом уменьшается.
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения с увеличением фазности схемы выпрямления m наоборот уменьшается. Этот вывод следует из анализа выражения, в соответствии с которым определяется коэффициент пульсации [3, с. 19, формула (1.37)],
im
Где U - амплитудное значение i-й гармонической составляющей выпрямленного напряжения;
d
U - среднее значение выпрямленного напряжения.
Из выражения (3) следует, что расчетный коэффициент пульсаций для трехфазного мостового выпрямителя составляет 0,057, а для девятифазного мостового выпрямителя - 0,006, т.е. уменьшается почти на порядок.
КПД источника сварочного тока для сварочного полуавтомата также зависит от гармонического состава токов и напряжений, так как определяется выражением следующего вида [3, с.70, формула (1.147)]:
н
Где P - активная мощность нагрузки, потребляемая сварочным полуавтоматом;
ΔР - активная мощность, включающая потери мощности в обмотках трансформатора и вентилях выпрямителя, в том числе и обусловленные нелинейными искажениями тока и напряжения на входе и на выходе выпрямителя (мощность искажений). Очевидно, что увеличение фазности схем выпрямления обуславливает уменьшение мощности искажений в соответствии с выражениями (2) и (3), а значит, позволяет увеличить КПД источника сварочного тока (фиг.7, п.3.3) и уменьшить энергопотребление сварочного полуавтомата (фиг.7, п.3.4).
За счет явления вращающегося магнитного поля в трансформаторе с вращающимся магнитным полем, трехфазная система напряжений питающей сети может быть преобразована в многофазную, например, девятифазную.
Таким образом, подтверждением достижения технического результата является следующее:
уменьшение искажающего воздействия на напряжение питающей сети демонстрируется сравнением графиков тока (осциллограммы) на входе сварочного полуавтомата с 3-фазным источником сварочного тока ВДУ-3020 (фиг.3) и на входе сварочного полуавтомата с 9-фазным источником сварочного тока МСВ-301 (фиг.4);
уменьшение энергопотребления видно из таблицы сравнения характеристик сварочного полуавтомата с 9-фазным сварочным выпрямителем МСВ-301 и сварочного полуавтомата с 3-фазным сварочным выпрямителем (аналогом) ВДУ-3020 (фиг.7, п.3.3);
увеличение значений коэффициента мощности - из таблицы (фиг.7, п.3.1);
увеличение коэффициента полезного действия сварочного выпрямителя - из таблицы (фиг.7, п.3.3);
уменьшение значения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения подтверждается расчетным путем из формулы (3), приведенной в настоящем описании, а также демонстрируется сравнением графиков выпрямленного напряжения (осциллограммы) на выходе сварочного выпрямителя ВДУ-3020 (фиг.5) и на выходе 9-фазного сварочного выпрямителя (фиг.6).
Все значения получены расчетным и опытным путем в заявленных пределах значений характеристик и параметров.
Заявляемое устройство полуавтоматической дуговой сварки в среде углекислого газа иллюстрируется следующими графическими материалами.
Фигура 1 - функциональная схема устройства полуавтоматической дуговой сварки в среде углекислого газа.
Фигура 2 - конструкция трансформатора для девятифазного полуавтомата дуговой сварки в среде углекислого газа, вид сбоку в разрезе.
Фигура 3 - график тока каждой фазы на входе сварочного полуавтомата ПДГ-3030 (прототип) с 3-фазным источником сварочного тока ВДУ-3020.
Фигура 4 - график тока каждой фазы на входе сварочного полуавтомата с 9-фазным источником сварочного тока.
Фигура 5 - график выпрямленного напряжения на выходе 3-фазного источника сварочного тока ВДУ-3020 сварочного полуавтомата ПДГ-3030 (прототип).
Фигура 6 - график выпрямленного напряжения на выходе 9-фазного источника сварочного тока МСВ-301 сварочного полуавтомата.
Фигура 7 - таблица сравнения характеристик сварочного полуавтомата с 9-фазным сварочным выпрямителем МСВ-301 и аналога сварочного полуавтомата ПДГ-3030 с 3-фазным сварочным выпрямителем ВДУ-3020.
Заявляемое устройство полуавтоматической дуговой сварки в среде углекислого газа (фиг.1) содержит источник сварочного тока 1, подающее устройство 2, сварочный узел 3, блок управления 4 и пульт дистанционного управления 5.
Источник сварочного тока 1 выполнен согласно описанию полезной модели к патенту №46393, МПК 7 Н 02 М 7/12, Н 02 М 7/155, 2005 [5] в виде многофазного сварочного выпрямителя. При этом он содержит многофазный трансформатор 6 с вращающимся магнитным полем (МТВП) с трехфазной первичной 7 и m-фазной вторичной 8 обмотками, управляемый m-фазный мостовой выпрямитель 9 (ММВ) и блок управления 10 выпрямителем. Вторичная обмотка 8 МТВП соединена с силовым входом ММВ 9, выход которого соединен с управляющим входом блока управления 10 выпрямителем. Выход блока управления 10 выпрямителем соединен с управляющим входом ММВ 9. Выход ММВ 9 является выходом источника сварочного тока 1, который соединен с силовым входом подающего устройства 2. Управляющий выход блока управления 4 соединен с управляющим входом подающего устройства 2. Выход подающего устройства 2 соединен со сварочным узлом 3. Пульт дистанционного управления 5 соединен с управляющим входом блока управления 4.
Пример выполнения полуавтомата дуговой сварки в среде углекислого газа с девятифазным источником сварочного тока.
Источник сварочного тока 1 содержит МТВП 6 с трехфазной первичной 7 и девятифазной вторичной 8 обмотками, управляемый девятифазный мостовой выпрямитель 9 и блок управления 10 выпрямителем.
МТВП 6 выполнен согласно описанию изобретения к патенту РФ №2246151, H 01 F 30/14, 2005 [6]. При этом трансформатор 6 (фиг.2) содержит внутренний (не обозначено) и два боковых 11 витых кольцевых магнитопровода. Внутренний магнитопровод выполнен из двух одинаковых колец 12, склеенных между собой по торцовым не шлифованным поверхностям. На торцовые шлифованные поверхности этих колец 12 при помощи ферромагнитного клея наклеены шихтованные зубцы 13 прямоугольной формы, которые приварены к кольцам 12 (например, с помощью электродуговой сварки) по их внешней и внутренней
образующим в точках сварки 14. Оси симметрии зубцов 13 расположены относительно центра внутреннего магнитопровода под углом α=π/9.
В пазы, образованные зубцами 13, уложены секции трехфазной первичной 7 и девятифазной вторичной 8 обмоток, охватывающих внутренний магнитопровод. Торцами, противоположными приклеенным к внутренним магнитопроводам, зубцы 13 примыкают к боковым магнитопроводам 11. Высота боковых магнитопроводов 11 равна высоте одного кольца 12 внутреннего магнитопровода.
Управляемый девятифазный мостовой выпрямитель 9 выполнен по известной девятифазной мостовой схеме выпрямления с восемнадцатью управляемыми вентилями, в качестве которых используются тиристоры. Блок управления 10 выпрямителем выполнен по известной схеме блока управления выпрямителя сварочного ВДУ-506 (Промышленные каталоги (тематическая подборка). Сварочные выпрямители (действующие каталоги серии 11.03). М.: Информэлектро, 1996 [7]).
Подающее устройство 2 выполнено в виде известного подающего устройства полуавтомата ПДГ-502 [1]. Сварочный узел 3 выполнен в виде известной горелки ГДПГ-201 [1]. Блок управления 4 выполнен в виде известного блока управления БУСП-1 [1]. Пульт дистанционного управления 5 выполнен в виде известного переносного пульта полуавтомата ПДГ-305 [1].
Заявляемое устройство полуавтоматической дуговой сварки в среде углекислого газа работает следующим образом (фиг.1).
Трехфазное напряжение сети, подведенное к первичной обмотке 7 МТВП 6, преобразуется в m-фазное вторичное напряжение вторичной обмотки 8. Вторичное m-фазное напряжение выпрямляется с помощью управляемого m-фазного мостового выпрямителя 9 (ММВ), выполненного на тиристорах (не показано). При этом регулировка и стабилизация сварочного тока на выходе ММВ 9 обеспечивается блоком управления 10 выпрямителем с помощью регулятора (не показано) за счет увеличения или уменьшения продолжительности открытого состояния тиристоров. Выпрямленное напряжение подводится к силовому входу подающего устройства 2.
При поступлении на управляющий вход блока управления 4 команды начала сварки от пульта дистанционного управления 5, блок управления 4 формирует соответствующий сигнал на своем управляющем выходе, который переводит подающее устройство 2 в рабочее состояние. При этом из подающего устройства 2 в сварочный узел 3 подается питающее напряжение, сварочная проволока и
углекислый газ. Скорость подачи сварочной проволоки устанавливается с помощью регулятора (не показано), расположенного на подающем устройстве 2.
При поступлении на управляющий вход блока управления 4 команды окончания сварки от пульта дистанционного управления 5, блок управления 4 формирует соответствующий сигнал на своем управляющем выходе. В ответ на этот сигнал подающее устройство 2 прекращает подачу в сварочный узел 3 питающего напряжения, сварочной проволоки и углекислого газа.
Полуавтомат дуговой сварки в среде углекислого газа (модель ПДГМ-301) разработан в ДОАО «ЭЛЕКТРОГАЗ». Разработана конструкторская и эксплуатационная документация. Изготовлена опытная партия, которая прошла производственные испытания на сварочных полигонах филиала «АФИПЭЛЕКТРОГАЗ» ДОАО «ЭЛЕКТРОГАЗ». Испытания подтвердили достижение технического результата и существенных преимуществ по сравнению с используемыми в настоящее время полуавтоматами дуговой сварки в среде углекислого газа как отечественного, так и зарубежного производства.
Производство заявляемого полуавтомата дуговой сварки в среде углекислого газа возможно на предприятиях электротехнической промышленности.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. «Оборудование для дуговой сварки», справочное пособие под ред. Смирнова В.В., Энергоатомиздат, 1986.
2. Журнал «Сварщик», подписной индекс 22405. №4, 2002 г.
3. Руденко B.C. и др. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. Школа, 1980.
4. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебник. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. Ч.1.-199 с.
5. Описание полезной модели к патенту №46393, МПК 7 Н 02 М 7/12, Н 02 М 7/155, 2005.
6. Описание изобретения к патенту РФ №2246151, H 01 F 30/14, 2005.
7. Промышленные каталоги (тематическая подборка). Сварочные выпрямители (действующие каталоги серии 11.03). М.: Информэлектро, 1996.