СВАРОЧНЫЙ ВЫПРЯМИТИЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Заявляемая полезная модель относится к сварочной технике, а именно к устройствам для ручной дуговой сварки, резки и наплавки металлов, работающим на постоянном токе.
Многофазные выпрямители известны. Известен, например, многофазный выпрямитель по патенту на полезную модель №24055 [1]. Однако указанный многофазный выпрямитель имеет сложную схему выпрямления тока и не предназначен для ручной дуговой сварки.
Известен многофазный управляемый выпрямитель по патенту №2189688 [2]. Однако это устройство предназначено для питания мощных потребителей в электротранспорте, химической и металлургической промышленности и, в частности, для питания электролизных установок.
Для получения сварочного шва хорошего качества при ручной электродуговой сварке используются трехфазные сварочные выпрямители зарубежного производства типа ESAB LHF-250 [3] и отечественного производства типа ВДУ [4]. Существенными недостатками известных сварочных выпрямителей являются: низкий коэффициент полезного действия (не более 70%), низкий коэффициент мощности (не более 0,88), большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения. Указанные недостатки обуславливают высокие потери электроэнергии при выполнении сварочных работ, негативное влияние на качество электроэнергии питающей сети, требуют высокой квалификации сварщика при выполнении ответственных сварочных работ и, как правило, являются одной из причин низкого качества сварного шва.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является универсальный сварочный выпрямитель типа ВДУ-305 [4], содержащий силовой трансформатор с трехфазными первичной и вторичной обмотками, силовой вентильный блок, блок управления. Однако прототипу также свойственны вышеперечисленные недостатки: низкий коэффициент полезного действия (не более 70%), низкий коэффициент мощности (не более 0,88), большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения.
Техническим результатом, достигаемым заявляемой полезной моделью, является уменьшение искажающего воздействия на напряжение питающей сети и
уменьшение энергопотребления за счет увеличения значений коэффициента мощности и коэффициента полезного действия сварочного выпрямителя, а также уменьшения значения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения.
Указанный технический результат достигается тем, что в МНОГОФАЗНОМ СВАРОЧНОМ ВЫПРЯМИТЕЛЕ по варианту 1, содержащем силовой трансформатор с первичной трехфазной и вторичной обмотками, силовой вентильный блок, блок управления, силовой трансформатор является многофазным трансформатором с вращающимся магнитным полем (ТВП) с m-фазной вторичной обмоткой, подключенной к силовому входу вентильного блока, выход которого с помощью силовых кабелей через блок управления подключен к нагрузке, при этом силовой вентильный блок состоит из диодов, собранных по m-фазной мостовой схеме, а в качестве блока управления служит балластный реостат.
В МНОГОФАЗНОМ СВАРОЧНОМ ВЫПРЯМИТЕЛЕ по варианту 2, содержащем силовой трансформатор с первичной трехфазной и вторичной обмотками, силовой вентильный блок, блок управления, силовой трансформатор является многофазным трансформатором с вращающимся магнитным полем (ТВП) с m-фазной вторичной обмоткой, подключенной к силовому входу вентильного блока, выход которого подключен к нагрузке и к управляющему входу блока управления, выход которого в свою очередь подключен к управляющему входу вентильного блока, причем вентильный блок подключен к нагрузке через силовые кабели, при этом силовой вентильный блок состоит из тиристоров, собранных по m-фазной мостовой схеме.
Достижение технического результата основывается на следующих доказательствах.
Известно, что коэффициент мощности выпрямителя определяется следующим соотношением [5, с.14, формула (1.22)]:
ci
где I - действующее значение i-й гармонической составляющей тока, потребляемого выпрямителем из сети (i=2,3...);
ν - коэффициент искажения тока, потребляемого выпрямителем из сети.
В свою очередь гармонический состав тока на входе выпрямителя определяется неравенством [6, 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 т порядок гармонических составляющих тока i возрастает (например, в трехфазном мостовом выпрямителе 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.4), а в девятифазном мостовом выпрямителе i≥2·9±1=18±1, т.е. уже 17-го и более высокого порядка (фиг.5)) и коэффициент мощности (фиг.8, 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 [5, с.19, формула (1.3 7)],
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 выпрямителя также зависит от гармонического состава токов и напряжений, так как определяется выражением следующего вида [5, с.70, формула (1.147)]:
н
где Р - активная мощность нагрузки, потребляемая электроприемниками, подключаемыми к выходу выпрямителя;
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 (фиг.8, п.3.3) и уменьшить энергопотребление выпрямителя (фиг.8, п.3.4).
За счет явления вращающегося магнитного поля в ТВП 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 3-фазного сварочного выпрямителя ВДУ-305 (фиг.4) и на входе 9-фазного сварочного выпрямителя (фиг.5);
уменьшение энергопотребления видно из таблицы сравнения характеристик девятифазного сварочного выпрямителя «МСВ-201» с 3-х фазными аналогами (фиг.8, п.3.3);
увеличение значений коэффициента мощности - из таблицы (фиг.8, п.3.1);
увеличение коэффициента полезного действия сварочного выпрямителя - из таблицы (фиг.8, п.3.3);
уменьшение значения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения подтверждается расчетным путем из формулы (3), приведенной на стр.3 настоящего описания, а также демонстрируется сравнением графиков выпрямленного напряжения (осциллограммы) на выходе 3-фазного сварочного выпрямителя ВДУ-305 (фиг.6) и на выходе 9-фазного сварочного выпрямителя (фиг.7).
Все значения получены расчетным и опытным путем в заявленных пределах значений характеристик и параметров.
Заявляемый многофазный сварочный выпрямитель иллюстрируется следующими графическими фигурами.
Фиг.1 - функциональная схема многофазного сварочного выпрямителя (вариант 1).
Фиг.2 - функциональная схема многофазного сварочного выпрямителя (вариант 2).
Фиг.3 - фото общего вида сварочного выпрямителя.
Фиг.4 - график тока на входе 3-фазного сварочного выпрямителя ВДУ-305 (прототип).
Фиг.5 - график тока на входе 9-фазного сварочного выпрямителя
Фиг.6 - график выпрямленного напряжения на выходе 3-фазного сварочного выпрямителя ВДУ-305 (прототип).
Фиг.7 - график выпрямленного напряжения на выходе 9-фазного сварочного выпрямителя.
Фиг.8 - таблица сравнения характеристик 9-фазного сварочного выпрямителя «МСВ-201» с аналогами - 3-х фазными сварочными выпрямителями.
Многофазный сварочный выпрямитель по варианту 1 (фиг.1) содержит многофазный силовой трансформатор 1 с вращающимся магнитным полем (ТВП) с трехфазной первичной 2 и m-фазной вторичной 3 обмотками, вентильный блок 4, блок управления 7. Вторичная обмотка 3 подключена к силовому входу вентильного блока 4, выход которого с помощью силовых кабелей 5 через блок 7 управления подключен к нагрузке 6. ТВП 1 реализован согласно описанию изобретения по Заявке №2003113384 «Многофазный трансформатор» [7] (положительное решение по заявке на изобретение №2003113384 от 06.05.2003 г.). Силовой вентильный блок 4 стоит из диодов, собранных по известной m-фазной мостовой схеме, описанной, например, в [5]. В качестве элемента управления 7 применяется балластный реостат.
Многофазный сварочный выпрямитель по варианту 2 (фиг.2) содержит многофазный трансформатор 1 с вращающимся магнитным полем (ТВП), с трехфазной первичной 2 и m-фазной вторичной 3 обмотками, вентильный блок 4, блок управления 7. Вторичная обмотка 3 подключена к силовому входу вентильного блока 4, выход
которого подключен к нагрузке 6 и к управляющему входу блока 7 управления. Выход блока управления в свою очередь подключен к управляющему входу вентильного блока 4. Вентильный блок 4 подключен к нагрузке б через силовые кабели 5. ТВП 1 реализован согласно описанию изобретения по Заявке №2003113384 «Многофазный трансформатор» [7] (положительное решение по заявке на изобретение №2003113384 от 06.05.2003 г.). Силовой вентильный блок 4 состоит из тиристоров, собранных по известной девятифазной мостовой схеме, описанной, например, в [5]. Управление тиристорами осуществляется с помощью блока управления 7, реализованного, например, по известной схеме блока управления выпрямителя сварочного ВДУ-506 [8].
Многофазный сварочный выпрямитель по варианту 1 работает следующим образом. Трехфазное напряжение сети, подведенное к первичной обмотке 2 трансформатора с вращающимся магнитным полем 1, преобразуется в m-фазное вторичное напряжение, которое выпрямляется с помощью вентилей, входящих в состав силового вентильного блока 4. В качестве вентилей силового вентильного блока 4 используются диоды, при этом регулировка сварочного тока на выходе силового вентильного блока 4 обеспечивается с помощью балластного реостата 7.
Многофазный сварочный выпрямитель по варианту 2 работает следующим образом. Трехфазное напряжение сети, подведенное к первичной обмотке 2 трансформатора с вращающимся магнитным полем 1, преобразуется в m-фазное вторичное напряжение, которое выпрямляется с помощью вентилей, входящих в состав силового вентильного блока 4. В качестве вентилей силового вентильного блока 4 используются тиристоры, при этом регулировка и стабилизация сварочного тока на выходе силового вентильного блока 4 обеспечивается блоком управления 7 с помощью регулятора (не показан) за счет увеличения или уменьшения продолжительности открытого состояния тиристоров.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1. Многофазный сварочный выпрямитель по варианту 1 (фиг.1) содержит многофазный силовой трансформатор 1 с вращающимся магнитным полем (ТВП) с трехфазной первичной 2 и девятифазной вторичной 3 обмотками, вентильный блок 4, блок управления 7. Выход вторичной обмотки 3 подключен к силовому входу вентильного блока 4, выход которого с помощью силовых кабелей 5 через блок 7 управления подключен к нагрузке 6. Вентильный блок 4 стоит из диодов, собранных по девятифазной мостовой схеме. Регулировка сварочного тока на выходе вентильного
блока 4 обеспечивается с помощью балластного реостата 7, например, балластного реостата «РБ-302 У2» (изготовитель Московский завод технологического оборудования).
Многофазный сварочный выпрямитель размещен в металлическом корпусе (фиг.3). На лицевой панели корпуса размещены: выключатель питания сварочного выпрямителя, сигнальная лампа, показывающая наличие напряжения на входе 12 выпрямителя, амперметр (не обозначены). Для внутрицехового перемещения в конструкции сварочного выпрямителя (фиг.3) предусмотрены два колеса, а в качестве точки опоры предусмотрен упор трапецеидальной формы из полосовой стали, приваренный к раме. На передней стенке выполнены выдвижные ручки для транспортировки выпрямителя. В нижней части передней панели выполнено отверстие для кабеля питания сварочного выпрямителя и два отверстия для однополюсных штепсельных разъемов для подключения сварочных проводов. Кабель питания 12 трехфазный четырехпроводный с вилкой на четыре контакта. Сварочные провода - одножильные, подключаются к нагрузке.
Пример 2. Многофазный сварочный выпрямитель по варианту 2 (фиг.2) содержит многофазный трансформатор 1 с вращающимся магнитным полем (ТВП), с трехфазной первичной 2 и девятифазной вторичной 3 обмотками, вентильный блок 4, блок управления 7. Выход вторичной обмотки 3 подключен к силовому входу вентильного блока 4, выход которого подключен к нагрузке 6 и к управляющему входу блока 7 управления. Выход блока управления в свою очередь подключен к управляющему входу вентильного блока 4. Вентильный блок 4 подключен к нагрузке 6 через силовые кабели 5. ТВП 1 реализован аналогично примеру 1 (положительное решение по заявке на изобретение №2003113384 от 06.05.2003 г.). Вентильный блок 4 состоит из тиристоров, собранных по известной девятифазной мостовой схеме, описанной в [5]. Управление тиристорами осуществляется с помощью блока 7 управления реализованного по известной схеме блока управления выпрямителя сварочного ВДУ- 506 [8].
Многофазный сварочный выпрямитель размещен в корпусе, выполненном аналогично описанному в примере 1 (фиг.3). На лицевой панели корпуса размещены: выключатель питания сварочного выпрямителя, сигнальная лампа, показывающая наличие напряжения на входе 12 выпрямителя, амперметр, регулятор для установки требуемого значения сварочного тока (не обозначены). В нижней части передней панели выполнено отверстие для кабеля питания сварочного выпрямителя и два отверстия для однополюсных штепсельных разъемов для подключения сварочных
проводов. Кабель питания 12 трехфазный четырехпроводный с вилкой на четыре контакта. Сварочные провода - одножильные, подключаются к нагрузке.
Многофазный сварочный выпрямитель (модель МСВ-201) разработан в ДОАО «ЭЛЕКТРОГАЗ». Разработана конструкторская и эксплуатационная документация. Изготовлена опытная партия, которая прошла производственные испытания на сварочных полигонах АО «КУБАНЬГАЗСЕРВИС», Каневского газопромыслового управления 000 «КУБАНЬГАЗПРОМ» и специализированного СМУ-филиала АООТ «КРАСНОДАРГАЗСТРОЙ». Испытания подтвердили достижение технического результата и существенных преимуществ по сравнению с используемыми в настоящее время для сварки газопроводов сварочными выпрямителями как отечественного, так и зарубежного производства.
Производство заявляемого многофазного сварочного выпрямителя возможно на предприятиях электротехнической промышленности.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Многофазный выпрямитель. Патент на полезную модель №24055 от 2001.11.20. Патентообладатель: Ульяновский государственный технический университет (прекратил действие по состоянию на 06.12.2004).
2. Многофазный управляемый выпрямитель. Патент №2189688 на изобретение от 2001.06.14. Патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие «Энергия и экология».
3. Сварочный выпрямитель ESAB LHF-250, Дания. Каталог, 2002 год.
4. Е.Н.Зимин и др. Электрооборудование промышленных предприятий и установок. М., «Энергоиздат», 1981, стр.94-97.
5. Руденко B.C. и др. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. Школа, 1980. - С.9, рис.1.1.
6. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебник. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. Ч.1. - 199 с.
7. Многофазный трансформатор. Заявка на изобретение №2003113384, положительное решение от 06.05.2003 г. Заявитель ДОАО «Электрогаз».
8. Промышленные каталоги (тематическая подборка). Сварочные выпрямители (действующие каталоги серии 11.03). М.: Информэлектро, 1996 (выпрямитель сварочный ВДУ-506).