СВАРОЧНЫЙ ТИРИСТОРНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Полезная модель относится к оборудованию для дуговой сварки плавящимся электродом, в частности, к универсальным источникам сварочного тока, обеспечивающим различные способы сварки (ручная сварка покрытым электродом, полуавтоматическая сварка плавящимся электродом в защитном газе, аргоно-дуговая сварка неплавящимся электродом).
Известно устройство для питания дугового разряда [Патент РФ 2220034, Способ дуговой сварки с короткими замыканиями дугового промежутка и источник питания для его осуществления, оп. 27.12.2003].
Источник питания для дуговой сварки с короткими замыканиями дугового промежутка содержит основной источник постоянного тока, состоящий из вторичной обмотки силового трехфазного трансформатора, подключенного к ее выходам тиристорного трехфазного выпрямительного блока и сглаживающего дросселя, подключенного к одному из выходов трехфазного выпрямительного блока, а также схему управления тиристорами трехфазного выпрямительного блока. Источник имеет постоянно действующий дополнительный источник электрической энергии с напряжением, составляющим 0,5-1,0 величины минимального напряжения горения дуги, состоящий из дополнительной обмотки трехфазного трансформатора, неуправляемого дополнительного трехфазного выпрямительного блока, подключенного входами к ее выходам, и последовательно подсоединенного к одному из выходов неуправляемого дополнительного трехфазного выпрямительного блока дополнительного сглаживающего дросселя, при этом положительный полюс дополнительного источника электрической энергии подключен к положительному полюсу основного источника постоянного тока, а отрицательный полюс - к отрицательному
полюсу основного источника постоянного тока. Дополнительный источник выполняет функцию низковольтной подпитки и включается параметрически в момент короткого замыкания капли с ванной, что приводит к резкому форсированию тока, тем самым интенсифицируя перенос капли в ванну.
Недостатками данного источника является то, что дополнительный источник допускает только витковое, т.е. грубое, регулирование тока, а форсирование происходит параметрически - при падении напряжения основного источника ниже 0.5-1.0 величины минимального напряжения горения дуги, что затрудняет настройку режимов сварки. Основной выпрямительный блок выполнен по схеме несимметричного тиристорного мостового выпрямителя с сильной пульсацией выпрямленного напряжения и пониженными динамическими свойствами.
Известен источник питания с улучшенными свойствами [Патент США 6384373, Welding power supply having improved supplemental power circuit, on. 07.05.2002]. Источник питания для сварки включает понижающий силовой трансформатор, первичная обмотка которого подключена в сеть. Выводы основной вторичной обмотки подключены к управляемому тиристорному выпрямительному блоку, первый выход которого соединен с деталью, а второй выход через дроссель - с электродом. Выводы дополнительной вторичной обмотки через коммутатор подключены к выпрямительному блоку, выходы которого подключены параллельно выходам управляемого тиристорного выпрямительного блока. Выход блока управления подключен к входам тиристорного выпрямительного блока, а именно к управляемым электродам тиристоров, а также - к входам коммутатора.
Блок управления формирует сигналы, управляющие током и напряжением основного источника, а также включением и выключением дополнительного источника. Ток обоих источников сглаживается дросселем и поступает на сварочный электрод. Основной источник может создавать ток от 3 до 400 А, а дополнительный источник приблизительно 3 А. Основное назначение дополнительного источника - поддерживать дугу в интервалах
между включениями тиристоров, особенно при сварке током ниже 15 А.
Возможно включение и выключение дополнительного источника, его синхронизация с режимами, задаваемыми блоком управления.
Недостатком данного устройства является то, что основной и дополнительный источники выполняют выпрямление однофазной синусоиды, что и вынуждает для сглаживания тока подключать фильтрующие элементы (конденсатор, обратный диод, дроссель).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототип) является источник питания сварочной дуги [Патент США 5408067, Method and apparatus for providing welding current from a brushless alternator, oп. 18.04.1995], включающий источник трехфазного переменного напряжения (генератор), выводы обмоток которого подключены к входу управляемого тиристорного выпрямительного блока, один выход которого подключен к свариваемой детали, а другой через датчик тока (шунт) и дроссель к сварочному электроду. Выводы датчика тока, а также датчика напряжения дуги подключены к измерительным входам управляющего блока. Управляющие выходы управляющего блока соединены с управляющими входами управляемого тиристорного выпрямительного блока. Кроме того, управляющие выходы блока управления соединены с обмотками возбуждения генератора. Блок управления содержит устройство ввода информации и устройство отображения информации.
Источник содержит обратную связь по току и напряжению, что позволяет управлять режимами работы с обеспечением необходимой энергии сварочной дуги (ток и напряжение), задаваемыми сварщиком. При этом высокое быстродействие позволяет учитывать возмущения от короткого замыкания в процессе сварки.
Недостатком данного устройства является то, что тиристорный выпрямительный блок выполнен несимметричным, что снижает устойчивость процесса и замедляет переходные процессы регулирования, т.е. не позволяет обеспечить достаточное быстродействие при управлении.
Очевидно также, что управление по обмотке возбуждения имеет еще худшее быстродействие, не позволяющее управлять переносом капель. Простейший алгоритм управления переносом в виде импульсов постоянной величины непригоден при сварке в углекислом газе и при сварке покрытым электродом.
Задачей полезной модели является создание универсального сварочного тиристорного выпрямителя, обеспечивающего высокий уровень сварочных свойств для трех наиболее востребованных способов сварки (ручная сварка покрытым электродом ММА, полуавтоматическая сварка плавящимся электродом в защитном газе MAG, аргоно-дуговая сварка неплавящимся электродом TIG).
Задача решатся тем, что в сварочном тиристорном выпрямителе, содержащем микропроцессорный регулятор, источник переменного напряжения, первый выход которого через последовательно соединенные тиристорный выпрямительный блок, дроссель, датчик тока и напряжения соединен с выходными внешними зажимами, при этом выход датчика тока соединен с первым измерительным входом микропроцессорного регулятора, а выход датчика напряжения соединен со вторым измерительным входом микропроцессорного регулятора, первый управляющий выход микропроцессорного регулятора соединен с управляемым входом тиристорного выпрямительного блока, выход блока настройки режимов соединен с первым информационным входом микропроцессорного регулятора. Новым в сварочном тиристорном выпрямителе является выполнение источника переменного напряжения в виде трансформатора. Кроме того, второй выход источника переменного сварочного напряжения через последовательно соединенные магнитный пускатель, диодный выпрямительный блок и балластный реостат соединены со входом дросселя, образуя вспомогательную силовую цепь. Кроме того, информационный выход микропроцессорного регулятора соединен с входом блока индикации, второй управляющий выход микропроцессорного регулятора соединен с
управляемым входом дросселя, а третий управляющий выход соединен с управляемым входом магнитного пускателя.
Использование в качестве источника переменного напряжения трансформатора позволило обеспечить питание пониженным напряжением основную и вспомогательную цепи силового питания. Вспомогательная силовая цепь выполняет функцию высоковольтной подпитки, благодаря чему обеспечивается надежность зажигания сварочной дуги. Выполнение дросселя управляемым позволяет менять индуктивность в зависимости от способа сварки. Введение обратной связи по току и напряжению с использованием датчика тока и датчика напряжения, а также микропроцессорного регулятора, который управляет тиристорным выпрямительным блоком обеспечило возможность создания различных вольт-амперных характеристик, а также плавно, в том числе дистанционно настраивать сварочный ток и напряжение. Микропроцессорный регулятор позволяет устанавливать и настраивать специальные функции. При ручной сварке покрытым электродом это ограничение напряжения холостого хода, горячий старт, защита от прилипания электрода и форсирование дуги. При полуавтоматической сварке в защитном газе это горячий старт, управление переносом электродного металла, отсечка тока. При аргоно-дуговой сварке это мягкий старт, циклограмма сварки, двух-четырехтактный режим, импульсный режим.
Кроме того, тиристорный выпрямительный блок снабжен датчиком температуры, выход которого соединен с четвертым измерительным входом микропроцессорного регулятора, а вентилятор ветровым реле, выход которого соединен с третьим измерительный входом микропроцессорного регулятора, шестой управляющий выход которого соединен с управляющим входом автоматического выключателя, что позволяет осуществлять температурный контроль силовых элементов и в случае аварийной ситуации отключить источник.
Выполнение выходных внешних зажимом в виде доски внешних зажимов с возможностью подключения электрододержателя для ручной
сварки покрытым электродом (ММА), технологической аппаратуры со сварочной горелкой для полуавтоматической сварки в защитном газе (MAG) и сварочной горелкой для аргоно-дуговой сварки неплавящимся электродом (TIG), позволяет обеспечивать универсальность источника.
Дополнительно микропроцессорный регулятор снабжен третьим информационным входом, выполненным с возможностью подключения внешнего программирующего устройства и четвертым информационным входом, выполненным с возможностью подключения пульта дистанционного управления. Внешнее программирующее устройство и пульт дистанционного управления позволяют оперативно настраивать программы работы микропроцессорного регулятора.
Микропроцессорный регулятор дополнительно снабжен информационным входом, который соединен с кнопкой сварочной горелки, четвертый управляющий выход соединен с газовым клапаном, а пятый управляющий выход соединен с механическим приводом.
Сочетание силовых конструктивных элементов - трехфазный понижающий трансформатор, тиристорный трехфазный выпрямительный мостовой блок, управляемый дроссель, подключаемая по мере необходимости высоковольтная подпитка - с быстродействующим микропроцессорным регулятором позволили создать универсальный источник, обеспечивающий высокий уровень сварочных свойств для трех наиболее востребованных способов сварки (ручная сварка покрытым электродом, полуавтоматическая сварка плавящимся электродом в защитном газе, аргоно-дуговая сварка неплавящимся электродом).
На фиг.1 представлена блок-схема сварочного тиристорного выпрямителя;
на фиг.2 - представлены внешние вольт-амперные характеристики и осциллограммы работы аппарата в режиме ручной сварки покрытым электродом;
на фиг.3 - внешние вольт-амперные характеристики и осциллограммы
работы в режиме полуавтоматической сварки в защитном газе;
на фиг.4 - внешние вольт-амперные характеристики и осциллограммы работы в режиме аргоно-дуговой сварки неплавящимся электродом;
Сварочный тиристорный выпрямитель имеет основную силовую цепь и вспомогательную силовую цепь, входящие в систему управления режимами сварки, а также систему защиты от перегрузки (фиг.1). Основная силовая цепь содержит последовательно соединенные трехфазный понижающий трансформатор 1, тиристорный выпрямительный блок 2, сглаживающий дроссель 3, датчик 4 тока и доску 5 внешних зажимов. Вспомогательная силовая цепь содержит последовательно соединенные магнитный пускатель 6, диодный выпрямительный блок 7 и балластный реостат 8. Вспомогательная силовая цепь включена параллельно тиристорному выпрямительному блоку 2. Трехфазный понижающий трансформатор 1 запитан от сети переменного тока и имеет первичную секцию из трех обмоток, а также вторичные основную и дополнительную секции из трех обмоток в каждой (на чертеже не показаны). Основная силовая цепь запитана от основной вторичной обмотки трансформатора 1, а вспомогательная силовая цепь - от дополнительной вторичной обмотки. Тиристорный выпрямительный блок 2 выполнен по схеме трехфазного мостового выпрямления. Выход датчика 4 тока соединен с входом датчика 9 напряжения. Доска 5 внешних зажимов представляет собой панель с разъемами для подключения либо электрододержателя для ручной сварки покрытым электродом (ММА), либо для подключения технологической аппаратуры со сварочной горелкой для полуавтоматической сварки в защитном газе (MAG) или аргоно-дуговой сварки неплавящимся электродом (TIG). Система защиты от перегрузки содержит подключенный к сети переменного тока автоматический выключатель 10, к выходам которого подключен вентилятор 11, поток воздуха которого воздействует на ветровое реле 12, а также датчик 13 температуры, установленный на радиаторе силовых элементов тиристорного выпрямительного блока 2.
Главным элементом системы управления режимами сварки является микропроцессорный регулятор 14. В основе микропроцессорного регулятора могут быть использованы, например, микроконтроллер PIC 18F452, а также цифро-аналоговые преобразователи, аналого-цифровые преобразователи и другие согласующие элементы. Первый и второй измерительные входы 15 и 16 микропроцессорного регулятора 14 соединены соответственно с выходами датчика 4 тока и датчика 9 напряжения. Первый управляющий выход 17 микропроцессорного регулятора 14 соединен с управляемым входом тиристорного выпрямительного блока 2, второй управляющий выход 18 соединен с управляемым входом сглаживающего дросселя 3, а третий управляющий выход 19 соединен с управляемым входом магнитного пускателя 6. Для выбора и настройки параметров сварочного процесса используется блок 20 настройки режимов, выход которого соединен с первым информационным входом 21 микропроцессорного регулятора 14. Вся необходимая сварщику информация отображается блоком 22 индикации, вход которого соединен с информационным выходом 23 микропроцессорного регулятора 14.
При работе в режиме полуавтоматической сварки в защитном газе или аргоно-дуговой сварки неплавящимся электродом к доске 5 внешних зажимов соответственно подключается технологическая аппаратура со сварочными горелками MAG или TIG, при этом к четвертому и пятому управляющим выходам 24 и 25 микропроцессорного регулятора 14 подключаются соответственно газовый клапан и механический привод, а сигнал от кнопки сварочной горелки поступает на второй информационный вход 26.
Выходы ветрового реле 12 и датчика 13 температуры соединены соответственно с третьим и четвертым измерительным входами 27 и 28 микропроцессорного регулятора 14. Шестой управляющий выход 29 микропроцессорного регулятора 14 соединен с управляемым входом автоматического выключателя 10. На третий информационный вход 30
микропроцессорного регулятора 14 приходит сигнал от внешнего программирующего устройства, в качестве которого может быть использован персональный компьютер. На четвертый информационный вход 31 приходит сигнал от пульта дистанционного управления.
Общий алгоритм функционирования выпрямителя, форма внешней вольт-амперной характеристики, вид циклограммы тока и напряжения, порядок реакции на возможные возмущения сварочного процесса вводятся от внешнего программирующего устройства через третий информационный вход 30 в память микропроцессорного регулятора 14. Задание сварочного тока, напряжения и других параметров осуществляется непосредственно через первый информационный вход 21 микропроцессорного регулятора 14 с использованием клавиатуры блока 20 настройки режимов. Дополнительно эти параметры можно задать через четвертый информационный вход 31 с пульта дистанционного управления. Информация о заданных параметрах и основных текущих состояниях сварочного процесса отображается блоком 22 индикации.
При включении автоматического выключателя 10 напряжение подается на понижающий трансформатор 1 и далее с основной секции вторичных обмоток понижающего трансформатора 1 по основной силовой цепи, где оно сначала выпрямляется тиристорным выпрямительным блоком 2, сглаживается дросселем 3 и поступает на доску 5 внешних зажимов, а затем подается в сварочную дугу. Во вспомогательной цепи напряжение, подаваемое с дополнительной секции вторичных обмоток понижающего трансформатора 1 через магнитный пускатель 6, выпрямляется в диодном выпрямительном блоке 7, при этом ток ограничивается балластным реостатом 8 и подается на входной зажим дросселя 3.
В соответствии с настроенным режимом сварки микропроцессорный регулятор 14 формирует и подает с первого управляющего выхода 17 сигналы в тиристорный выпрямительный блок 2, регулирующие моменты включения каждого из шести тиристоров в соответствующий полупериод
переменного напряжения, устанавливая тем самым необходимый сварочный ток и напряжение. Сигнал со второго управляющего выхода 18 задает необходимую индуктивность дросселя 3. Сигнал с третьего управляющего выхода 19 управляет работой магнитного пускателя 6, включая или отключая вспомогательную цепь, которая играет роль высоковольтной подпитки, обеспечивая устойчивое горение дуги в перерывах между включениями вентилей тиристорного выпрямительного блока 2.
В процессе сварки постоянно измеряются и анализируются сварочный ток и сварочное напряжение. Для этого сигнал обратной связи по току от датчика 4 тока и сигнал обратной связи по напряжению от датчика 9 напряжения поступают на первый и второй измерительные входы 15 и 16 микропроцессорного регулятора 14, где они сравниваются с сигналами задания, хранящимися в памяти микропроцессорного регулятора, и по результатам отклонения формируется сигнал, который с первого управляющего выхода 17 поступает в тиристорный выпрямительный блок 2.
Сигналы от ветрового реле 12 и датчика 13 температуры, входящих в систему защиты от перегрузки, поступают соответственно на третий и четвертый измерительный входы 27 и 28 микропроцессорного регулятора 14. В случае отсутствия или недостатка охлаждения вследствие неисправности вентилятора 11, а также в случае перегрева силовых элементов микропроцессорный регулятор 14 формирует аварийный сигнал на шестом управляющем выходе, который отключает автоматический выключатель 10, обесточивая тем самым основную и вспомогательную силовые цепи.
Технологические возможности полезной модели были испытаны при трех способах сварки: ручной покрытым электродом (ММА), полуавтоматической в углекислом газе (MAG) и аргоно-дуговой неплавящимся электродом (TIG).
При ручной сварке покрытым электродом сварочный тиристорный выпрямитель имеет комбинированную внешнюю вольт-амперную характеристику, состоящую из четырех участков (фиг.2, а). Участок 32
подпитки формируется вспомогательной силовой цепью и необходим для заполнения пауз между включениями вентилей в тиристорном выпрямительном блоке 2. Пологопадающий участок 33 представляет собой естественную вольт-амперную характеристику основной силовой цепи при полнофазном включении тиристорного выпрямительного блока 2. Участок 34 характеристики может использоваться для снижения тока при удлинении дуги, например, при сварке шва в вертикальном положении. Основной вертикальный участок 35 устанавливают при регулировании сварочного тока с помощью блока 20 настройки режимов или пульта дистанционного управления. Форма и наклон участков 34 и 35 определяются типом электродного покрытия и пространственным положением шва. Устанавливают и настраивают также специальные функции, такие как ограничение напряжения холостого хода, т.е. снижение напряжения в режиме ожидания до безопасного значения; горячий старт, т.е. кратковременное увеличение тока в начале сварки с целью повышения надежности зажигания; защита от прилипания электрода, т.е. ограничение длительности короткого замыкания электрода с деталью при зажигании;
форсирование дуги, т.е. настройка тока короткого замыкания каплей электродного металла на ванну с целью управления его переносом.
Динамические свойства тиристорного сварочного выпрямителя для данного способа сварки характеризуют осциллограммы сварочного тока и напряжения (фиг.2, б и 2, в). Процесс зажигания показан на фиг.2, б. Из состояния ожидания 36 с безопасным напряжением холостого хода процесс с момента касания электродом изделия переходит в режим короткого замыкания 37, а после отвода электрода - к режиму дугового разряда 38. Ток горячего старта поддерживается в течение короткого замыкания, если оно не превысило настроенное время ограничения длительности короткого замыкания, и сохраняется некоторое время после этого для установления дугового разряда с общей продолжительностью горячего старта в течение интервала 39. Затем ток снижается до значения, соответствующего
настроенному сварочному току 40. Видно, что зажигание происходит надежно с первого касания электродом изделия, без обрывов дуги и прилипания электрода. Процесс устойчивого горения дуги показан на фиг.2, в. Дуговой процесс 41 идет без обрывов дуги и сопровождается регулярным переносом электродного металла в моменты коротких замыканий 42 капли с ванной. Пиковый ток короткого замыкания 43 настроен так, чтобы форсированием обеспечить энергичный, но без чрезмерного разбрызгивания перенос электродного металла в ванну.
При полуавтоматической сварке в углекислом газе сварочный тиристорный выпрямитель имеет внешнюю вольт-амперную характеристику из двух участков (фиг.3, а). Участок 44 высоковольтной подпитки такой же, как при ручной сварке покрытым электродом. Основной жесткий участок 45 устанавливают при регулировании сварочного напряжения с помощью блока 20 настройки режимов или дистанционного пульта управления. Устанавливают и настраивают также специальные функции, такие как, горячий пуск, т.е. зажигание дуги при кратковременном полнофазном включении тиристоров; отсечка тока, т.е. ограничение сварочного тока с целью предупреждения прожогов свариваемой детали и повреждения сварочной горелки.
Динамические свойства выпрямителя при полуавтоматической сварке иллюстрируют осциллограммы тока и напряжения на фиг.3, б и 3, в. На фиг.3,6 показан процесс зажигания при отключенной высоковольтной подпитке -магнитный пускатель 6 выключен. После нажатия кнопки на горелке на вход 26 поступает сигнал пуска, в результате чего выпрямитель начинает работать в режиме 46 холостого хода основной силовой части. С момента касания электродной проволокой детали в режиме горячего старта 47 короткое замыкание при полнофазном включении тиристоров способствует быстрому установлению дугового процесса 48 с первого касания без обрывов дуги и длительных повторных коротких замыканий. Процесс сварки (фиг.3, в) идет с непрерывным чередованием интервалов дугового разряда 49 и коротких
замыканий каплями 50. Благодаря ограничению индуктивности дросселя 3 сигналом с выхода 18 перенос электродного металла имеет регулярный характер с интенсивным, но не чрезмерным нарастанием тока короткого замыкания 51 капли с ванной. Высокая стабильность напряжения достигается за счет обратной связи, действием датчика 9 напряжения, а высокая стабильность тока обеспечивается стабильной подачей проволоки механизмом подачи, запитанным от выхода 25.
При аргоно-дуговой сварке неплавящимся электродом выпрямитель имеет внешнюю вольт-амперную характеристику из трех участков (фиг.4, а). Участок 52 высоковольтной подпитки и пологопадающий участок 53 такие же, как при ручной сварке покрытым электродом. Вертикальный участок 54 устанавливают при регулировании сварочного тока с помощью блока 20 настройки режимов или пульта дистанционного управления. Устанавливают и настраивают также специальные функции, такие как мягкий пуск, т.е. снижение тока при зажигании коротким замыканием с целью предупреждения повреждения электрода и поверхности детали; циклограмму, т.е. порядок и длительность включения исполнительных устройств (тиристорный выпрямительный блок 2, газовый клапан и др.) при двух- или четырехтактном цикле пользования кнопкой на горелке; параметры сварки пульсирующей дугой, т.е. сила тока и длительность импульса тока и паузы.
Динамические свойства выпрямителя отражены циклограммами (фиг.4, б и 4, в) процесса аргоно-дуговой сварки с 4-тактным циклом пользования кнопкой на горелке, подключенной к входу 26. Цикл складывается из следующих этапов. После первого длительного нажатия кнопки идут этапы подачи газа до сварки 55 и зажигания дуги методом мягкого старта 56, а после отпускания кнопки - плавное нарастание основного тока 57, сварка шва в нижнем положении 58, сварка шва в вертикальном положении 59 со снижением тока при кратковременном нажатии и отпускании кнопки. После второго длительного нажатия кнопки начинается плавное снижение тока для
заварки кратера 60, а после второго отпускания кнопки - подача газа после сварки 61. На рис.4, в показаны осциллограммы тока и напряжения при сварке пульсирующей дугой тонколистового металла на весу с точным чередованием импульсов тока 62 и пауз 63.