СВАРОЧНЫЙ АППАРАТ ИНВЕРТОРНОГО ТИПА

Полезная модель сварочный аппарат инверторного типа относится к сварочной технике, а именно к источникам питания для электродуговой сварки.
Известно устройство для управления сварочными токами источника питания инверторного типа [SU, а.с. 1119799, опубл. в БИ N 39, 23.10.84], состоящее из выпрямительного устройства, тиристорного инвертора и блока управления, в который входит преобразователь напряжения в длительность периода следования управляющих импульсов. Это устройство позволяет измерять среднее значение напряжения и тока каждого импульса на выходе источника, выделять наибольший из сигналов, пропорциональных измеренным значениям тока и напряжения, и использовать эти данные для регулирования периода следования импульсов в инверторе. Эта схема обеспечивает хорошие выходные динамические характеристики, но не обеспечивает необходимую статическую характеристику, а значит, оптимальную регулировку величины сварного тока, т.е. качество сварного соединения ограничивается определенной толщиной свариваемых деталей.
Известен источник питания для дуговой сварки на основе высокочастотного инвертора, содержащий входной выпрямитель, инвертор, на выходе которого подключен сварочный электрод, измерительный датчик тока, включенный в силовую цепь инвертора, задатчик тока сварки и блок управления инвертором, причем выходы входного выпрямителя подключены к первичным цепям инвертора, управляющие входы которого связаны с первыми выходами блока управления, первые входы которого связаны с измерительным датчиком тока и задатчиком тока сварки. [RU, патент 2147979, опубл. 27.04.2000]. Этот источник питания улучшает качество сварного соединения за счет повышения точности управления выходными параметрами и он принят за прототип.
Недостатком прототипа является то, что измерительный датчик тока установлен в цепи сварочного электрода с большими токами, определяющими структурную сложность датчика, а блок управления включает достаточно много элементов, выполняющих разные функции, настройка и контроль которых вызывает определенные трудности при изготовлении, а особенно в процессе работы сварочного аппарата. Кроме того, весь процесс сварки осуществляется бесконтрольно, а мощные силовые элементы, хотя и имеют теплоотводы, не гарантируют выхода из работы самих элементов и элементов блока управления, тем самым создается дополнительная опасность для обслуживающего персонала.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении надежности функционирования и оперативности контроля режима сварки.
Это достигается тем, что сварочный аппарат инверторного типа содержит входной выпрямитель, инвертор с силовым трансформатором, на выходе которого подключен сварочный электрод, измерительный датчик тока, включенный в цепь инвертора, задатчик тока сварки и блок управления инвертором, причем выходы входного выпрямителя подключены к первичным цепям инвертора, управляющие входы которого связаны с первыми выходами блока управления, первый и второй входы которого связаны с измерительным датчиком тока и задатчиком тока сварки, а так же дополнительно содержит датчик температуры и вентилятор, установленные внутри корпуса аппарата, кнопку режима работы, блок индикации параметров сварки и блок питания, связанного своими выходами с вентилятором, с инвертором и блоком управления инвертором, при этом датчик температуры и кнопка режима работы подключены соответственно к третьему и четвертому входам блока управления инвертором, а блок индикации параметров сварки связан со вторыми выходами блока управления, причем блок управления выполнен в виде единого конструктивного модуля, представляющего собой микроконтроллер, а датчик тока установлен в первичной цепи силового трансформатора инвертора. Инвертор содержит два полумоста с силовыми ключами, формирователь импульсов управления силовыми ключами, резонансную схему, силовой трансформатор с выходным выпрямителем во вторичной цепи, при этом каждый полумост параллельно подключен к выходной цепи входного выпрямителя сварочного аппарата, а выход каждого полумоста и резонансная схема последовательно включены в первичную цепь силового трансформатора, причем входы формирователя импульсов управления силовыми ключами являются управляющими входами инвертора, а выходы формирователя импульсов управления силовыми ключами подключены к соответствующим входам каждого полумоста.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема сварочного аппарата инверторного типа, на фиг.2, 3 - схемы первого и второго полумостов с силовыми ключами, входящих в состав инвертора, на фиг.4 - алгоритм работы сварочного аппарата, на фиг.5 - временные диаграммы сигналов управления инвертором и в отдельных точках схемы инвертора.
На схеме фигуры 1 приняты следующие обозначения:
1 - входной выпрямитель с фильтром; 2 - блок питания; 3 - вентилятор; 4 - формирователь импульсов управления силовыми ключами; 5, 6 - полумосты;. 7 - резонансная схема;. 8 - силовой трансформатор; 9 - выходной выпрямитель; 10 - сварочный электрод; 11 - блок управления инвертором, представляющего собой микроконтроллер; 12 - блок индикации параметров сварки; 13 - датчик тока; 14 - задатчик сварочного тока; 15 - кнопка режима работы; 16 - датчик температуры; блоки 4, 5, 6, 7, 8, 9 образуют высокочастотный инвертор;
св
I - сварочный ток; Uдт - сигнал на выходе датчика тока; Iуст - уровень уставки сварочного тока; Uупр1, Uупр2, Uупр3, Uупр4 - управляющие сигналы на входе полумостов 5, 6; +Udc, -Udc - напряжение на выходе входного выпрямителя 1; U1, U2 U3, U4 - первые выходы с блока управления инвертором 11 (входы блока 4); Uп1, Uп2 - выходы блока питания 2; UT1 - напряжение в первичной цепи силового трансформатора 8.
На фиг.2, 3 (схемы первого и второго полумостов с силовыми ключами) приняты следующие обозначения:
(VT1.1-VT1.N) - первая группа силовых ключей первого полумоста 5 с соответствующими ограничительными резисторами R1.1-R1.N;
(VT2.1-VT2.N) - вторая группа силовых ключей первого полумоста 5 с соответствующими ограничительными резисторами R2.1-R2.N;
(VT3.1-VT3.N) - первая группа силовых ключей второго полумоста 6 с соответствующими ограничительными резисторами R3.1-R3.N;
(VT4.1-VT4.N) - вторая группа силовых ключей второго полумоста 6 с соответствующими ограничительными резисторами R4.1-R4.N; при этом силовые ключи групп VT1, VT4 последовательно с первичной цепью силового трансформатора 8 образуют первую диагональ инвертора (фиг.1), а силовые ключи групп VT2, VT3 последовательно с первичной цепью силового трансформатора 8 образуют вторую диагональ инвертора. В качестве силовых ключей использованы полевые транзисторы.
На фиг.5 приняты следующие обозначения:
Ts - период следования импульсов на выходе инвертора; DTs - длительность включенного состояния группы силовых ключей VT1.1-VT1.N первого полумоста, остальные обозначения расшифрованы и указаны на фиг.1.
Ниже приведено назначение упомянутых элементов.
Входной выпрямитель 1 предназначен для преобразования входного трехфазного или однофазного переменного напряжения в постоянное напряжение и сглаживания его пульсаций. Блок питания 2 предназначен для преобразования входного трехфазного или однофазного переменного напряжения в ряд напряжений постоянного тока для питания вентилятора 3, формирователя 4 и микроконтроллерного блока управления 11. Вентилятор 3 предназначен для обеспечения принудительного охлаждения силовых элементов сварочного аппарата. Формирователь импульсов управления силовыми ключами 4 предназначен для обеспечения связи между блоком управления инвертором 11 и силовыми ключами полумостов 5 и 6 инвертора. Импульсы управления формируются 11. Полумост 5 (6) представляет собой силовые ключи на полевых транзисторах, включенные по полумостовой схеме. Резонансная схема 7 предназначена для улучшения условий коммутации силовых ключей полумостов 5 и 6. Силовой трансформатор 8 предназначен для передачи мощности по вторичную цепь инвертора. Выходной выпрямитель 9 предназначен для преобразования переменного напряжения с выхода силового трансформатора 8 в постоянное напряжение для формирования сварочного тока. Сварочный электрод 10 является нагрузкой выходного выпрямителя 9 и предназначен для обеспечения процесса сварки. Блок управления инвертором 11 формирует сигналы управления силовыми ключами полумостов 5 и 6 в зависимости от сигнала датчика тока 13, сигнала задатчика сварочного тока 14, сигнала датчика температуры 16, положения кнопки режима работы 15. Кроме того, блок управления инвертором 11 формирует сигналы управления блоком индикации параметров сварки 12, обеспечивает защиту сварочного аппарата от перегрева и аварии датчиков 14, 16.
Блок индикации параметров сварки 12 предназначен для отображения значения уставки сварочного тока, задаваемой задатчиком сварочного тока 14, температуры воздуха внутри корпуса сварочного аппарата, кодов аварий. Датчик тока 13 предназначен для измерения тока в первичной обмотке силового трансформатора 8. Задатчик сварочного тока 14 предназначен для формирования сигнала уставки сварочного тока. Кнопка включения режима «сварка» 15 предназначена для разрешения формирования сигналов управления силовыми ключами полумостов 5 и 6. Датчик температуры 16 предназначен для измерения температуры воздуха внутри сварочного аппарата.
Принцип работы сварочного аппарата основан на преобразовании переменного сетевого напряжения в постоянное, а затем постоянного напряжения в последовательность прямоугольных импульсов высокой частоты переменной длительности.
При подаче сетевого напряжения на выходе блока 1 (фиг.1) появляется постоянное напряжение +Udc, -Udc, на выходе блока 2 - напряжения Uп1, Uп2, поступающие на питание блоков 4 и 11, а также включается в работу вентилятор 3.
уст
уст
В режиме холостого хода кнопка 15 отключена (разомкнута), блок управления инвертором (микроконтроллер) 11 не формирует управляющие импульсы V1, U2 U3, U4 на входе блока 4 (фиг.1) и силовые ключи полумостов 5, 6 инвертора находятся в запертом состоянии, а напряжения UT1, Uдт и на выходе сварочного аппарата отсутствуют.. Данные, поступающие с задатчика сварочного тока 14 и датчика температуры 16. на вход блока управления инвертором (микроконтроллера) 11 в виде напряжений, переводятся в цифровой код и отображаются на блоке индикации параметров сварки 12. При этом индикаторы в блоке индикации 12 мигают и на них попеременно отображается текущая уставка сварочного тока в амперах и температура воздуха внутри корпуса в градусах Цельсия. Значение сварочного тока уставки I в микроконтроллере блока управления инвертором 11 преобразуется в истинное напряжение установочного тока сварки U [В], пропорциональное задаваемому току сварки, приведенному к току в первичной цепи инвертора, по следующему выражению
уст
уст
U=K1*K2*I,
уст
где К1 - коэффициент приведения тока сварки к току в первичной цепи инвертора (безразмерная величина); К2 - коэффициент преобразования тока в первичной цепи инвертора в напряжение Uдт [В], формируемое на выходе датчика тока 13 (размерность [ом]). Значение U сохраняется в микроконтроллере 11 до следующего изменения уставки сварочного тока.
упр1
упр4
а
При включении режима «сварка» (кнопка режима работы 15 включена) блок управления 11 формирует управляющие импульсы U1, U2 U3, U4 на входе блока 4, который доводит их до заданной амплитуды U-U, и силовые ключи полумостов 5, 6 инвертора коммутируются, в результате чего в первичной цепи трансформатора 8 появляются двух полярные импульсы UT1. В соответствии с алгоритмом работы (фиг.4) и с диаграммой (фиг.5) при наличие управляющих импульсов Uупр1 и Uупр4 формируется следующая первичная цепь инвертора: +Udc, ., b, бл.7, бл.13, c, d, -Udc (фиг.1). А при наличие управляющих импульсов Uупр2 и Uупр3 формируется следующая первичная цепь инвертора: +Udc, e, c, бл.13, бл.7, b, f, -Udc (фиг.1). При этом в первом случае импульс UT1 формируется в нечетном такте Ts, а во втором случае в четном такте Ts (фиг.5).
ДТ
уст.
В каждом такте напряжение с датчика тока 13 (выпрямленное Uдт, пропорциональное току в первичной цепи трансформатора 8, определяемое как Uдт=К2*I), сравнивается в микроконтроллере блока управления 11 с напряжением U. При достижении равенства указанных напряжений в соответствующем такте на выходе микроконтроллера формируется сигнал, отключающий соответствующую группу ключей в полумостах 5, 6 до следующего такта. Так как ток сварки меняется при работе сварочного аппарата, то и длительность управляющих импульсов DTs в каждом такте будет переменной (на фиг.5 не показано). На блоке индикации в этом режиме попеременно отображаются значения заданного тока сварки и текущее значение температуры внутри корпуса сварочного аппарата.
Кроме того, в микроконтроллере блока управления 11 постоянно происходит сравнение текущей температуры воздуха, поступающей с датчика температуры 16, с записанной в памяти микроконтроллера, и при превышении с датчика температуры над заданной микроконтроллер прекращает подачу сигналов U1, U2 U3, U4, отчего закрываются силовые ключи в полумостах 5, 6, а на блоке индикации высвечиваются символы аварии. Так как вентилятор продолжает работать, то по истечении определенного времени температура внутри сварочного аппарата опустится ниже заданной и микроконтроллер перейдет в режим формирования управляющих импульсов. При неисправности датчика тока 13 (обрыв, короткое замыкание) или датчика температуры 16 микроконтроллер также прекращает подачу сигналов U1, U2 U3, U4, отчего закрываются силовые ключи в полумостах 5, 6, а на блоке индикации высвечиваются соответствующие символы аварии.
Расположение датчика тока в первичной цепи инвертора позволяет использовать менее мощный измерительный датчик тока, повышая его надежность, а выполнение блока управления инвертором в виде микроконтроллера с блоком индикации и подключенном датчиком температуры, расположенном внутри корпуса аппарата, позволяет оперативно контролировать процесс сварки и автоматически отключать инвертор в аварийных ситуациях, отчего повышается надежность функционирования сварочного аппарата. Использование полевых транзисторов в полумостах обеспечивает более высокую частоту коммутации инвертора по сравнению с тиристорами (в прототипе), ими легче управлять и они в открытом состоянии и в режиме коммутации имеют малые потери, то есть более высокий кпд преобразователя. Вышеизложенное позволяет утверждать, что поставленная техническая задача полезной моделью решена.
S
В ЗАО «Научприбор» г. ОРЕЛ изготовлен экспериментальный образец описанного сварочного аппарата, где в качестве микроконтроллера использован микроконтроллер STM32F051R8T6 (фирма - STMicroelectronics), а в качестве силовых транзисторов применены полевые транзисторы типа IRFP360 (фирма: Vishay, International Rectifier), причем в каждой группе полумостов их количество N=4. Период следования импульсов на выходе микроконтроллера составляет T=18 мкс. В настоящее время экспериментальный образец сварочного аппарата проходит производственные испытания.