ИНВЕРТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСВАРКИ
INVERTER POWER SUPPLY FOR ELECTRIC WELDING

Изобретение относится к электронной импульсной технике и может быть использовано в строительстве, производстве и быту в качестве источника питания инверторного типа, предназначенного для дуговой и контактной электросварки постоянным током различных изделий.
Известен источник питания для дуговой сварки и резки, содержащий трансформатор с первичной и двумя вторичными обмотками, причем первичная обмотка подключена к источнику переменного напряжения, а вторичные обмотки - к входам мостового выпрямителя (RU 2060125 С1, 1996.05.20).
Недостатками данного устройства является ограниченный частотный диапазон источника питания, а также большие габариты и масса сварочного трансформатора.
Известен источник питания для дуговой сварки, содержащий транзисторный инвертор, вторичный выпрямитель, сглаживающий реактор, датчик тока, сумматор, функциональный генератор, формирователь напряжения задания, блок управления, коммутатор, компаратор, а также интегратор (RU 2103124 С1, 1998.01.27).
К недостаткам данного устройства следует отнести высокий уровень пульсаций сварочного тока во время переходных процессов установления электрической дуги в стационарное состояние.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является сварочный источник питания для сварки на сильном токе, содержащий источник питания, инверторный каскад, сварочный трансформатор, выпрямитель, сглаживающий реактор (дроссель), средство управления для формирования сигнала выключения инвертора, транзисторный каскад, датчик измерения мгновенного значения тока сварки, компаратор для формирования сигнала слабого тока и схему управления током сварки (RU 2210474 С2, 2003.08.20).
Основным недостатком данной конструкции является возникновение высокочастотных паразитных колебаний (звона) в обмотках сварочного трансформатора при использовании широтно-импульсного регулирования выходной мощности устройства. Эти колебания появляются в тот момент, когда транзисторы (электронные ключи) инвертора закрыты, и первичная обмотка сварочного трансформатора оказывается отключенной на некоторое время от источника питания. В результате происходит дополнительный нагрев сварочного трансформатора, выпрямителя и транзисторных коммутаторов, что приводит к понижению КПД и надежности устройства. При изменении скважности управляющего сигнала в сторону увеличения уровень пульсаций выходного (сварочного) тока также увеличивается, причем возникает вероятность исчезновения электрической дуги в режиме малых токов.
Другим недостатком конструкции является использование транзисторных ключей в силовых цепях вторичных обмоток сварочного трансформатора, ток которых может достигать нескольких сотен ампер. Данное обстоятельство ограничивает частотный диапазон сварочного источника, увеличивает его габариты и массу, снижает стабильность рабочих характеристик, а также ограничивает выходной ток.
Технической задачей изобретения является создание инверторного источника питания для электросварки, обладающего высокой надежностью и стабильностью выходных рабочих характеристик, имеющего широкий частотный диапазон, высокий КПД, небольшие габариты и массу.
Эта техническая задача достигается тем, что в инверторный источник питания для электросварки, содержащий тактовый генератор, двухполярный источник питания, сварочный трансформатор, вторичными обмотками соединенный с входами выпрямителя, выход которого через сглаживающий дроссель подключен к сварочному электроду, введены четыре электронных ключа и два накопительных конденсатора, образуя при этом новое схемотехническое решение инверторного преобразователя частоты и дополнительные связи, причем свариваемая конструкция соединена с общим выводом вторичных обмоток сварочного трансформатора.
Функциональная схема, эпюры напряжений и токов, поясняющих работу инверторного источника питания для электросварки, представлены на чертеже.
Инверторный источник питания для электросварки содержит тактовый генератор 1, прямым выходом соединенный с управляющими входами первого 3 и четвертого 8 электронных ключей, инверсным выходом подключенный к управляющим входам второго 4 и третьего 7 электронных ключей, двухполярный источник питания 2, плюсовым выводом соединенный с входом первого 3 электронного ключа, минусовым выводом подключенный к входу второго 4 электронного ключа, общим выводом соединенный со вторыми выводами обоих 5, 6 накопительных конденсаторов и вторым выводом первичной обмотки сварочного трансформатора 9, выход первого электронного ключа 3 подключен к первому выводу первого накопительного конденсатора 5 и входу третьего электронного ключа 7, выход второго электронного ключа 4 соединен с первым выводом второго накопительного конденсатора 6 и входом четвертого электронного ключа 8, выход которого подключен к выходу третьего электронного ключа 7 и первому выводу первичной обмотки сварочного трансформатора 9, вторичными обмотками соединенного с входами выпрямителя 10, выход которого через сглаживающий дроссель 11 подключен к сварочному электроду 12, причем свариваемая конструкция 13 соединена с общим выводом вторичных обмоток сварочного трансформатора 9.
Описание работы устройства
Инверторный источник питания для электросварки содержит тактовый генератор 1, двухполярный источник питания 2, первый 3, второй 4, третий 7 и четвертый 8 электронные ключи, первый 5 и второй 6 накопительные конденсаторы, сварочный трансформатор 9, выпрямитель 10 и сглаживающий дроссель 11. Сварочный электрод 12 подключен к выходу сглаживающего дросселя 11, а свариваемая конструкция 13 соединена с общим выводом вторичных обмоток сварочного трансформатора 9.
Генератор 1 вырабатывает опорные импульсы, управляющие работой устройства. С прямого выхода генератора 1 (эпюра а) импульсы напряжения поступают на управляющие входы первого 3 и четвертого 8 электронных ключей. С инверсного выхода (эпюра b) - на управляющие входы второго 4 и третьего 7 электронных ключей. Если на управляющем входе электронного ключа присутствует низкий уровень напряжения, то он находится в закрытом состоянии. Когда на управляющем входе электронного ключа появляется высокий уровень напряжения, то он открывается, замыкая цепь между входом и выходом. Таким образом, коммутация электронных ключей 3, 4, 7, 8 происходит с частотой тактового генератора 1 попарно: если ключи 3, 8 открыты, то ключи 4, 7 закрыты и наоборот.
Устройство получает питание от симметричного двухполярного источника 2, который вырабатывает одинаковое напряжение разной полярности относительно общего вывода. Плюсовой вывод источника 2 соединен с входом первого ключа 3, минусовой вывод источника 2 подключен к входу второго ключа 4. Общий вывод источника 2 соединен со вторыми выводами конденсаторов 5, 6 и вторым выводом первичной обмотки трансформатора 9. Первый вывод накопительного конденсатора 5 включен в цепь между выходом и входом ключей 3 и 7. Аналогично включен конденсатор 6 в цепь между выходом и входом ключей 4 и 8. Первый вывод первичной обмотки трансформатора 9 соединен с обоими выходами ключей 7, 8.
Сварочный трансформатор 9 содержит две вторичные обмотки, имеющие общий (средний) вывод, которые вместе с выпрямителем 10 образуют двухполупериодную схему. Досель 11 представляет собой индуктивный сглаживающий фильтр, уменьшающий пульсации сварочного тока.
В течение первого полупериода времени (t0…t1) работы тактового генератора 1 (эпюры а, b) ключи 3 и 8 открыты, а ключи 4 и 7 закрыты. Накопительный конденсатор 5 заряжается от плюсового источника питания 2 до максимального напряжения (эпюра с). Конденсатор 6 имеет нулевой потенциал (эпюра d), поскольку ключ 4 закрыт. Напряжение на первичной обмотке сварочного трансформатора также равно нулю (эпюра е), сварочный ток отсутствует (эпюра f).
В начале второго полупериода (t1…t2) ключи 3 и 8 закрываются, а ключи 4 и 7 открываются. Первичная обмотка трансформатора 9 подключается к накопительному конденсатору 5, который начинает разряжаться через открытый ключ 7 (эпюра с), в результате чего на первичной обмотке трансформатора 9 образуется электрический сигнал положительной полярности (эпюра е), вызывающий появление сварочного тока (эпюра f) между электродом 12 и конструкцией 13. В это же время конденсатор 6 заряжается от минусового источника питания 2 до максимального напряжения через открытый ключ 4 (эпюра d).
На отрезке времени t2…t3 ключи 4 и 7 закрыты, а ключи 3 и 8 открыты. Накопительный конденсатор 5 от источника 2 подзаряжается до своего максимального значения (эпюра с), а первичная обмотка трансформатора 9 подключается к конденсатору 6, заряженному отрицательно (эпюра d), который отдает накопленную энергию трансформатору 9 через открытый ключ 8 (эпюра е), поддерживая ток силовой цепи (эпюра f). Наличие выпрямителя 10 обеспечивает неизменность направления сварочного тока, величина пульсаций которого сглаживаются дросселем 11.
Дальнейшая работа схемы аналогична вышеприведенному описанию.
Основным достоинством предлагаемого устройства является то, что источник питания 2 изолирован от нагрузки сварочного трансформатора 9. Электрическая энергия от источника 2 передается к трансформатору 9 в два этапа: сначала заряжаются накопительные конденсаторы 5 или 6 через открытые ключи 3 или 4, затем они отдают свою энергию в первичную обмотку трансформатора 9 через открытые ключи 7 или 8, при этом источник 2 полностью развязан от работающего инвертора. Данное обстоятельство определяет высокую надежность и безопасность в работе всей конструкции.
Другим преимуществом является то, что электрическая энергия, поступающая в инвертор, строго ограничена емкостью конденсаторов 5 и 6, следовательно, величину сварочного тока можно регулировать, изменяя их номиналы. При возникновении перегрузок или во время переходных процессов максимальная величина сквозных или ударных токов, возникающих в силовых цепях, также ограничивается значениями емкостей накопительных конденсаторов 5 и 6.
Приведенная конструкция позволяет отказаться от широтно-импульсного регулирования выходной мощности, обеспечивая оптимальный режим работы инвертора и снижение пульсаций сварочного тока.
Предлагаемая конструкция обеспечивает надежную работу инверторного преобразователя в диапазоне частот от 25 кГц до 130кГц, при этом максимальный сварочный ток может достигать 300…400А, а минимальный ток - 8…12А.
Масса сварочного трансформатора может быть снижена до 0,9…1,5 кг при рабочих токах 130…160А.
Инверторный источник питания для электросварки обладает высокой стабильностью рабочих характеристик, его конструктивные возможности позволяют изготавливать как мощные высокопроизводительные установки, так и малогабаритные переносные устройства, обладающие небольшой массой.
Предлагаемое устройство имеет высокий КПД, широкий диапазон использования, высокую надежность и большой срок эксплуатации.