СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF EXCITING ELECTRIC ARC AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к сварочному производству, в частности к устройствам для возбуждения и стабилизации горения дуги при ручной и автоматической сварке в том числе алюминия и его сплавов неплавящимся электродом в защитных газах на постоянном и переменном токе.
Известен способ возбуждения электрической дуги, при котором импульсом высокого напряжения обеспечивают пробой дугового промежутка и поддерживают неустойчивый искровой разряда на время, достаточное для нарастания тока основного источника до величины выше тока удержания: Сагиров Х.Н., Дюргеров Н.Г. и Морозкин И.С. Зажигание сварочной дуги, Ростов-на-Дону, ГЕФЕСТ, 1999 г., стр.90.
Известен способ бесконтактного возбуждения дуги, принятый заявителем за прототип и раскрытый в патентах Российской Федерации №2047437, кл. B23K 9/06, 9/00, 1995 г. и №2173618, кл. B23K 9/067, 2001 г., в котором от стороннего источника энергии импульсом высокого напряжения производят пробой (ионизацию) дугового промежутка и возбуждают высокочастотный колебательный контур, обеспечивающий на дуговом промежутке искровой разряд до развития основной дуги.
Известно устройство, обеспечивающее бесконтактное возбуждение дуги по патенту Российской Федерации №2047437, кл. B23K 9/06, 1995 г., содержащее коммутатор, релаксатор с накопительным конденсатором, подключенный к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого одним выходом подключена к разрядному электроду разрядника, пассивный электрод которого через конденсатор разрядника подключен к выходу осциллятора, разрядник выполнен с дополнительным разрядным электродом, подключенным к другому выходу осциллятора, другой вывод вторичной обмотки подключен к конденсатору разрядника.
Известно устройство, обеспечивающее бесконтактное возбуждение дуги по патенту Российской Федерации №2173618, кл. B23K 9/067, 2001 г., принятое заявителем за прототип. Оно содержит источник питания дуги, импульсный трансформатор, зарядную цепь и разрядный контур, образованный накопительным конденсатором, тиристором и первичной обмоткой импульсного трансформатора, вторичная высоковольтная обмотка которого включена в сварочную цепь, импульсный трансформатор снабжен второй высоковольтной вторичной обмоткой, а зарядная цепь состоит из высоковольтного колебательного контура, образованного параллельно включенными конденсатором и индуктивностью, разрядника, разделительного конденсатора и высоковольтного накопительного конденсатора, при этом высоковольтный накопительный конденсатор через разрядник параллельно подключен к высоковольтному колебательному контуру, который включен последовательно с источником питания дуги и параллельно с первой высоковольтной вторичной обмоткой, а разрядник последовательно соединен со второй высоковольтной вторичной обмоткой, параллельно подсоединенной через разделительный конденсатор к источнику питания дуги.
Для лучшего понимания способа, раскрытого в вышеназванных патентах, заявитель приводит на фиг.5 функциональную схему устройства, при помощи которого осуществляют данный способ. Оно включает в себя источник питания дуги 1, образованный источником напряжения E1 2 и собственной индуктивностью L1 3, источник заряда E2 14 накопительного конденсатора Cн 13, импульсный трансформатор 9, первичная обмотка 11 которого через ключ 12 соединена с выводами накопительного конденсатора 13, вторичная обмотка 10 импульсного трансформатора 9 включена последовательно с электродом 6 и изделием 7, образующими дуговой промежуток, и соединена с выводами 4 и 5 источника питания дуги 1 и фильтровым конденсатором Cф 8.
По существу, осциллятор - емкостной накопитель энергии, разрядная цепь которого представляет собой высокочастотный высокой добротности последовательный колебательный контур на индуктивности рассеяния импульсного трансформатора Ls и накопительной емкости Cн (Cф  Cн;. Ls<L1), в цепь которого последовательно включен дуговой промежуток деталь-электрод.
0
д
Работа схемы по известному способу (фиг.5) показана на фиг.4а. В момент времени t, после замыкания ключа K (обычно искровой разрядник) и пробоя дугового промежутка импульсом высокого напряжения образуется неустойчивый искровой разряд. На индуктивности L1 3 основного источника питания дуги 1 образуется разность напряжений между ЭДС источника 2 и напряжением на дуговом промежутке электрод 6-деталь 7 и в основной цепи начинает нарастать ток i.
мин
уд
Длительность колебаний разрядного импульса осциллятора (неустойчивый искровой разряд) должна превышать время t, достаточное для нарастания тока в основной цепи выше тока удержания i, при котором ионизация межэлектродного, промежутка обеспечивается током основной цепи и возможно дальнейшее нарастание тока до заданного значения.
Переход к дуговому разряду (возникновение дуги) происходит в том случае, если разряд возникает под действием напряжения, способного вызвать пробой межэлектродного промежутка и поддерживать ток при значении, достаточном для горения дуги, то есть ток должен быть больше некоторого минимального тока горения дуги. Все промежуточные стадии искрового разряда перед дуговым разрядом являются неустойчивыми и, если мощность источника питания дуги недостаточна для поддержания тока дуги, разряд гаснет.
Искровой разряд является нестационарным. Все характеристики искрового разряда являются функциями времени. Искровой разряд, как и дуговой, характеризуется низким катодным падением напряжения, значительно ниже, чем в тлеющем разряде.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных устройств, принятых за прототип, относятся малая эффективность действия, невысокая надежность, большие габаритные размеры, масса и сложность эксплуатации известных устройств, обусловленная индивидуальными свойствами источника питания дуги, режимом сварки, режимом работы питающей сети и конструктивными особенностями оборудования.
Технической задачей изобретения является улучшение качества сварного соединения за счет повышения стабильности возбуждения дуги, надежности работы и оптимизации количества элементов, обеспечивающих возбуждение дуги, снижение массы и габаритов, а также сокращение затрат труда на изготовление устройств в целом и повышение безопасности работы сварщика.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом решении для управления ключом, например транзисторным, в устройство для возбуждения электрической дуги постоянного тока введен гальванически развязанный датчик тока, узел задания уставки тока удержания, узел сравнения, генератор запускающих импульсов и триггер, причем выход триггера соединен с управляющим входом ключа, вход установки триггера соединен с выходом генератора запускающих импульсов, а вход сброса триггера с выходом узла сравнения, первый вход которого соединен с выходом узла задания уставки тока удержания, а второй вход узла сравнения соединен с выходом гальванически развязанного датчика тока, первичная цепь которого включена в цепь источника питания дуги.
Кроме того, в устройство для возбуждения электрической дуги переменного тока, а именно в цепь управляемого ключа, например транзисторного, дополнительно введен неуправляемый мостовой диодный выпрямитель и блок вычисления модуля, вход которого соединен с выходом датчика тока, а выход соединен со вторым входом узла сравнения, первый вход неуправляемого мостового диодного выпрямителя соединен с общей точкой гальванически развязанного датчика тока и импульсного трансформатора, второй вход неуправляемого мостового диодного выпрямителя соединен с общей точкой накопительного конденсатора, изделия и источника питания дуги, а выходы неуправляемого мостового диодного выпрямителя соединены с управляемым ключом, управляющий вход которого соединен с выходом узла сравнения.
Кроме того, в предлагаемом решении используют устройство по любому из п.п.1 и 2, при этом поджигающий импульс формируют за счет энергии, накопленной в индуктивности источника питания дуги в момент, когда ток в сварочной цепи уже превышает ток удержания, для чего перед подачей поджигающего импульса на дуговой промежуток параллельно выходным зажимам источника питания дуги, имеющего собственную индуктивность, включают управляемый ключ и закорачивают сварочную цепь источника питания дуги, обеспечивая нарастание тока до величины выше тока удержания, после чего управляемый ключ выключают и ток под действием электродвижущей силы самоиндукции собственной индуктивности источника питания дуги через первичную обмотку импульсного трансформатора переключают на заряд накопительного конденсатора, а напряжение, наводимое во вторичной обмотке импульсного трансформатора, включенной последовательно в сварочную цепь источника питания дуги, прикладывают к межэлектродному промежутку и пробивают его, чем обеспечивают начальную ионизацию дугового промежутка и замыкают сварочную цепь.
На фиг.1 дана функциональная схема реализации способа возбуждения электрической дуги;
на фиг.2 дана принципиальная электрическая схема устройства по реализации способа для возбуждения дуги постоянного тока;
на фиг.3 - принципиальная электрическая схема устройства по реализации способа для возбуждения дуги переменного тока;
на фиг.4 даны эпюры напряжений и токов в сварочной цепи по известному и предлагаемому способам: а) - существующий способ, b) - предлагаемый способ,
1
a - эпюры напряжения на дуговом промежутке;
2
a - эпюра тока на дуговом промежутке;
1
в - эпюра напряжения на дуговом промежутке;
2
в - эпюра тока источника тока дуги;
3
в - эпюра тока управляемого ключа;
4
в - эпюра тока дуги;
на фиг.5 - функциональная схема устройства по известному способу;
Условные обозначения:
U - напряжение источника;
t - время;
1
E - электродвижущая сила источника напряжения;
D
U - напряжение дуги (в дуговом промежутке);
p
U - поджигающий импульс;
уд
i - ток удержания;
Li
i - ток источника тока дуги;
D
i - ток дуги;
k
i - ток управляемого ключа;
o
t - момент замыкания ключа;
1
Li
уд
t - время, когда i=i;
k
2
1
t - момент размыкания управляемого ключа, t≥t.
н
Функциональная схема устройства по предлагаемому способу фиг.1. включает в себя источник питания дуги 1, образованный источником напряжения (E1) 2 и собственной индуктивностью (L1) 3, и снабженного выводами 4 и 5, электрод 6 и изделие 7, образующие дуговой промежуток, нелинейный ограничитель напряжения 8, импульсный трансформатор 9 с обмотками вторичной 10 и первичной 11, управляемый ключ 12 и накопительный конденсатор (C) 13.
Начало вторичной обмотки 10 соединено с электродом 6, конец первичной обмотки 11 соединен с первым выводом накопительного конденсатора 13, другие выводы обмоток 10 и 11 соединены между собой, первыми выводами управляемого ключа 12, нелинейного элемента 8 и выводом 4 источника питания дуги 1, вывод 5 которого соединен со вторыми выводами управляемого ключа 12, накопительного конденсатора 13, нелинейного элемента 8 и изделием 7.
Работа устройства по предлагаемому способу Фиг.1 поясняется эпюрами фиг.4b и происходит следующим образом.
0
L1
1
L1
уд
Li
L1
В начальный момент времени t замыкается управляемый ключ 12 и в цепи источника питания дуги 1 под действием электродвижущей силы (Е1) 2 начинает протекать ток i, накапливая энергию в индуктивности (L1) 3. В момент времени t, когда ток i превышает ток удержания дуги i и энергия, накопленная в (L1) 3, достаточна для формирования высоковольтного импульса на дуговом промежутке, управляемый ключ размыкают. Под действием электродвижущей силы самоиндукции индуктивности (L1) 3 ток i через первичную обмотку 11 импульсного трансформатора 9 переключается на заряд накопительного конденсатора 13, индуцируя импульс высокого напряжения во вторичной обмотке 10, который суммируясь с выходным напряжением источника питания дуги 1 прикладывается к дуговому промежутку и пробивает его, обеспечивая начальную ионизацию и замыкая сварочную цепь, при этом ток разряда накопительного конденсатора 13 и ток сварочной цепи i суммируются, повышая тем самым эффективность зажигания дуги. Нелинейный элемент 8 ограничивает коммутационные напряжения на выходе источника 1 и управляемом ключе 12 на допустимом по условиям надежности и безопасности уровне.
Таким образом, способ предварительного вывода основного источника питания дуги через управляемый ключ на ток выше тока удержания и использование энергии собственной индуктивности источника питания дуги на формирование короткого высоковольтного импульса для пробоя и первичной ионизации дугового промежутка позволяет исключить стадию неустойчивого разряда в процессе возбуждения дуги, источник заряда накопительного конденсатора и колебательный контур, что обеспечивает повышение надежности работы, снижение массы, габаритов и затрат труда на изготовление устройств бесконтактного зажигания дуги, а снижение энергии высоковольтного импульса в связи с отсутствием необходимости возбуждения колебательного контура повышает безопасность работы сварщика.
Кроме того, длительность единичного осциллирующего импульса в предлагаемом решении не превышает долей микросекунды (эквивалентная частота импульса выше 1 МГц), соответственно уменьшается энергия импульса (более чем на порядок), следовательно, и его вредное воздействие на сварщика.
Кроме того, возможность применения бесконтактного управляемого ключа, снижение энергии импульса и отсутствие отдельного источника питания осциллятора ведет к существенному улучшению массогабаритных и энергетических характеристик устройства при повышении надежности, стабильности и безопасности, а возможность регулирования начального тока дуги способствует улучшению качества сварного соединения.
Принципиальная электрическая схема устройства по реализации способа для возбуждения электрической дуги постоянного тока (фиг.2)
Устройство состоит из источника питания дуги постоянного тока 1, образованного источником напряжения E1 2 собственной индуктивностью L1 3, и снабженное выводами 4 и 5, электрода 6 и изделия 7, образующих дуговой промежуток, нелинейного ограничителя напряжения 8, импульсного трансформатора 9 с обмотками вторичной 10 и первичной 11, управляемого, например транзисторного, ключа 12 и накопительного конденсатора 13, гальванически развязанного датчика тока 14, узла задания уставки тока 15, узла сравнения 16, задающего генератора 17 и триггера 18.
Начало вторичной обмотки 10 соединено с электродом 6, конец первичной обмотки 11 соединен с первым выводом накопительного конденсатора 13, другие выводы обмоток 10 и 11 соединены между собой коллектором управляемого транзисторного ключа 12 и через первичную цепь датчика тока 14 с первым выводом нелинейного элемента 8 и выводом 4 источника питания дуги 1, вывод 5 которого соединен со вторыми выводами накопительного конденсатора 13, нелинейного элемента 8, изделием 7 и эмиттером управляемого ключа 12, управляющий вход которого соединен с выходом триггера 18, вход установки которого соединен с выходом задающего генератора импульсов 17, а вход сброса через узел сравнения 16 связан с узлом задания уставки тока 15 и выходом датчика тока 14.
Работает устройство следующим образом.
Коротким импульсом задающего генератора 17 триггер 18 переводится в активное состояние, открывая управляемый ключ 12. В источнике питания дуги 1 начинает нарастать ток и по достижению уставки тока срабатывания узел сравнения 16 меняет свое состояние, сбрасывая в исходное состояние триггер 18 и закрывая управляемый ключ 12. Ток источника питания дуги 1 переключается на заряд накопительного конденсатора 13, индуцируя трансформатором 9 импульс высокого напряжения на дуговом промежутке электрод 6-деталь 7, инициируя пробой и зажигание дуги. В установившемся режиме ток дуги превышает ток уставки, поэтому узел сравнения 16 не меняет своего состояния и по входу сброса триггера 18 блокирует прохождении запускающих импульсов с генератора 17 на управляемый ключ 12. В случае отсутствия пробоя дугового промежутка избыток энергии, накопленной в индуктивности L1 3 источника питания дуги 1, сбрасывается на нелинейный ограничитель напряжения 8, ток источника питания дуги снижается до уровня ниже тока уставки и узел сравнения 16 переходит в исходное состояние, обеспечивая повторение цикла.
Принципиальная электрическая схема устройства по реализации способа для возбуждения электрической дуги переменного тока (фиг.3)
Устройство состоит из источника питания дуги переменного тока 1, образованного источником напряжения E1 2 собственной индуктивностью L1 3, и снабженное выводами 4 и 5, электрода 6 и изделия 7, образующих дуговой промежуток, нелинейного ограничителя напряжения 8, импульсного трансформатора 9 с обмотками вторичной 10 и первичной 11, управляемого, например транзисторного, ключа 12 накопительного конденсатора 13, гальванически развязанного датчика тока 14, узла задания уставки тока 15, узла сравнения 16, блока вычисления модуля 19 и неуправляемого мостового диодного выпрямителя 20.
Начало вторичной обмотки 10 соединено с электродом 6, конец первичной обмотки 11 соединен с первым выводом накопительного конденсатора 13, другие выводы обмоток 10 и 11 соединены между собой и первым входом неуправляемого мостового диодного выпрямителя 20 и через первичную цепь датчика тока 14 с первым выводом нелинейного элемента 8 и выводом 4 источника питания дуги 1, вывод 5 которого соединен с изделием 7 и со вторыми выводами накопительного конденсатора 13, нелинейного элемента 8 и неуправляемого мостового диодного выпрямителя 20, к выходам которого подключены силовые выводы управляемого, например, транзисторного ключа 12, управляющий вход которого соединен с выходом узла сравнения 16, первый вход которого соединен с блоком задания уставки тока 15, а второй через блок вычисления модуля 19 связан с выходом датчика тока 14.
Работает устройство следующим образом.
В исходном состоянии модуль сигнала с выхода датчика тока 14 меньше сигнала с блока задания уставки тока 15, выход узла сравнения 16 устанавливается в активный режим и открывает транзисторный ключ 12. В источнике питания дуги 1 начинает нарастать ток и по достижению модуля сигнала с выхода датчика тока 14 уровня сигнала с блока уставки тока 15 узел сравнения 16 меняет свое состояние, закрывая управляемый ключ 12. Ток источника питания дуги 1 переключается на заряд накопительного конденсатора 13, индуцируя трансформатором 9 импульс высокого напряжения на дуговом промежутке электрод 6-деталь 7, инициируя пробой и зажигание дуги. В установившемся режиме ток дуги превышает ток уставки, поэтому узел сравнения 16 не меняет своего состояния и управляемый ключ 12 закрыт. В случае отсутствия пробоя дугового промежутка избыток энергии, накопленной в индуктивности L1 3 источника питания дуги 1, сбрасывается на нелинейный ограничитель напряжения 8, ток источника питания дуги 1 снижается до уровня ниже тока уставки и узел сравнения 16 переходит в исходное состояние, обеспечивая повторение цикла. При смене полярности входного напряжения схема работает аналогично и производит формирование возбуждающих импульсов при каждом переходе тока через ноль, обеспечивая стабилизацию режима сварки.
Использование технического решения по предлагаемому способу возбуждения электрической дуги позволило улучшить качество сварного соединения за счет повышения стабильности возбуждения дуги и надежности работы устройства, при оптимизации количества элементов, обеспечивающих возбуждение дуги, позволило снизить энергопотребление, массу и габариты, а также сократить затраты на изготовление устройства, в том числе повысить безопасность работы сварщика.