Багатоінверторний випрямляч паралельного включення

Корисна модель відноситься до зварювальної техніки і технології, а саме, до інверторним зварювальним випрямлячам на транзисторах MOSFET структури для дугової зварки плавким електродом. Поява в різних галузях промисловості нових матеріалів і технологій зумовила розвиток і розробку нового напряму в зварювальній справі - створення могутніх інверторних випрямлячів з широким діапазоном регулювання зварювальних струмів на базі готових електронних модулів. Активний вплив високочастотної складової зварювального струму на протікання процесів на електроді і в зварювальній ванні дозволяє суттєво поліпшити якість і підвищити продуктивність зварки плавким електродом. Універсальний двохмодульний інверторний випрямляч для дугової зварки, що заявляється, виконаний по схемі паралельного включення двох силових інверторних модулів, керованих від одного блоку управління, проте для збільшення зварювального струму число паралельно включених силових інверторних модулів може бути більше двох. Інверторні джерела живлення для дугового електрозварювання набули останніми роками значне поширення. Невеликі розміри і маса, поліпшені динамічні характеристики вигідно відрізняють інвертори від традиційних джерел. Інверторні джерела живлення - це сучасний напрям в розвитку зварювальної техніки на основі високочастотних перетворювачів (інверторів), в яких реалізовані кращі схемотехнічні рішення і використана елементна база кращих європейських і північноамериканських виробників в області інверторних технологій. Силові модулі-інвертори сертифіковані в провідних європейських сертифікаційних центрах (TUV і ін.), при цьому їх застосування в універсальному зварювальному устаткуванні, що розробляється і виготовляється, дозволяє одержати чудові зварювальні характеристики при використовуванні будь-яких європейських і вітчизняних зварювальних матеріалів, а широкий діапазон допустимих температур навколишнього середовища дозволяє працювати з апаратами практично в будь-яких кліматичних умовах. Обширний вибір як європейських, так і вітчизняних аксесуарів (пальники, газові редуктори, щитки зварювача і ін.) дозволяє комплектувати апарат необхідними допоміжними пристроями і обладнаннями. Апарати з використанням силових модулів-інверторів мають значно менші габаритні розміри і масу, що є зручним в монтажних умовах. Устаткування працює з високою тривалістю навантаження (не менше 60%), має примусове охолоджування і захисти від перевантаження, при цьому відчутно понижені енерговитрати при високому коефіцієнті корисної дії, а вартість інверторів співрозмірна з вартістю традиційного устаткування. Застосування апаратів на базі високочастотних перетворювачів (інверторів) дозволяє виконувати відповідальні зварні з'єднання персоналом середньої кваліфікації. Задача розробки пристрою, що заявляється, є в даний час актуальною, оскільки до сучасних зварювальних агрегатів в даний час пред'являються все більш жорсткі вимоги по універсальності застосування, по параметрах потужності, по енергоспоживанню, по точності відтворення заданого режиму зварки в різних нестабільних умовах, по масо-габаритних показниках, по простоті в експлуатації і в обслуговуванні. Всім цим вимогам відповідають зварювальні агрегати, побудовані на базі сучасних інверторів провідних фірм - виробників преобразуючої техніки. Відомий "Зварювальний генератор" [Авт.св. СРСР №1333496, МПК4 В23К9/00, БВ-32-1987p.], що містить трифазну обмотку, випрямний міст і обмотку збудження, підключену до джерела постійної напруги, утворюваного випрямним мостом, причому в генератор введено чотири діоди, комутуючий тиристор, стабілітрон і регульований RC-ланцюг, при цьому перший діод включений паралельно обмотці збудження, через комутуючий тиристор з'єднаний з позитивним полюсом джерела постійної напруги і регульованим RC-ланцюгом, інший вивід якого разом з виводами обмотки збудження з'єднаний з анодами другого і третього діодів, підключених до будь-яких двох виводів трифазної обмотки, керуючій електрод комутуючого тиристора через стабілітрон підключений до загальної точки регульованого RC-ланцюга, змінний резистор якої зашунтований четвертим діодом, катод якого з'єднаний з позитивним полюсом джерела постійної напруги. Недоліками відомого пристрою, не дивлячись на простоту конструкції, є невисокі енергетичні показники і вузька область застосування. Відоме "Джерело живлення для дугової зварки" [Патент України №22239, МПК6 В23К9/06, бюл. №3, 1998p.], що включає мережний випрямляч, напівмостовий транзисторний інвертор, індуктивно-ємнісний перетворювач, знижуючий високочастотний трансформатор, низьковольтний випрямляч і пристрій управління, захисту і індикації, при цьому забезпечується робота інвертора на двох частотах: резонансної для перетворювача індуктивно-ємнісні і підвищеної. Не дивлячись на відмінне схемотехнічне рішення, яке забезпечує стабілізацію струму зварювальної дуги і підвищення стійкості процесу зварки і якості зварного з'єднання, відомий пристрій має енергетичні і функціональні обмеження, оскільки його самостійно неможливо використовувати в зварювальних апаратах з великими струмами зварки. Найближчим по технічному сутності і технічному результату, який досягається, і вибраним як прототип є багатофункціональний зварювальний інвертор, виконаний по двохмодульній схемі [Видавець: Міжнародна асоціація "Зварка", журн. "Автоматична зварка", №1, 2003р., с.52-54], який включає силові модулі, індивідуальні блоки керування, підключені до входів керування силових модулів, загальний блок керування, підключений до індивідуальних блоків керування, потенціометр керування, підключений до всіх блоків керування, блок комутації режимів, вхід якого з'єднаний з виходом загального блоку керування, а виходи блоку комутації режимів з'єднані з входами комутаторів, які здійснюють паралельне (ММА-процес і механізований МІГ/МАГ-процес), послідовне (повітряно-плазмове різання) або роздільне (двохпостовий ММА-процесс і механізований МІГ/МАГ-процес) з'єднання виходів силових модулів. Недоліками прототипу є: - перекіс по робочому струму на модулях через змінне навантаження, створюваною зварювальною дугою, що при такому паралельному включенні модулів може привести до виходу з ладу одного або декількох модулів; - наявність індивідуальних блоків керування суттєво ускладнює виготовлення і настройку пристрою; - підвищена витрата компонентів і матеріалів приводить до дорожчання пристрою. Задачею корисної моделі є розробка нової схемотехніки багатоінверторного випрямляча паралельного включення з досягненням технічного результату - збільшення потужності, забезпечення стабільності зварювальних режимів і підвищення надійності пристрою. Поставлена задача досягається тим, що в "Багатоінверторному випрямлячі паралельного включення", який містить не менше двох силових модулів, загальний блок керування, потенціометр керування, причому потенціометр керування підключений до загального блоку керування, додатково введені блок зворотних зв'язків і індуктори, при цьому до виходів силових модулів підключені входи індукторів, виходи яких з'єднані паралельно на загальні вихідні клеми пристрою, причому до виходів індукторів підключені входи блоку зворотних зв'язків, вихід якого підключений до загального блоку керування, крім того, силові модулі виконані у вигляді інверторів типа INV.160A Stick, блок керування виконаний у вигляді блоку типа INV.CONTROL STICK, потенціометр керування виконаний у вигляді регульованого резистора з лінійною характеристикою, а блок зворотних зв'язків є блоком типа INV.ARC BACK. Новим в пристрої, який заявляється, в порівнянні з прототипом є те, що з метою підвищення надійності пристрою при паралельному включенні силових модулів на загальне навантаження, введений блок зворотних зв'язків, який забезпечує стабільність зварювальних струмів через силові модулі і коректує керуючі сигнали, яки поступають від загального блоку керування на силові модулі так, щоб відновити рівність зварювальних струмів через силові модулі при будь-яких коливаннях зварювального струму в дузі. Суттєвими ознаками технічного рішення, що заявляється, співпадаючими з прототипом, є: - силові модулі; - загальний блок керування; - потенціометр керування; - потенціометр керування підключений до загального блоку керування. Відмітними від прототипу суттєвими ознаками технічного рішення, що заявляється, є: - додатково введені блок зворотних зв'язків і індуктори; - до виходів силових модулів підключені входи індукторів; - виходи індукторів з'єднані паралельно на загальні вихідні клеми пристрою; - виходи індукторів підключені до входів блоку зворотних зв'язків; - вихід блоку зворотних зв'язків підключений до загального блоку керування. Приватними відмітними від прототипу суттєвими ознаками технічного рішення, що заявляється, є: - силові модулі виконані у вигляді інверторів типа INV.160A Stick; - блок керування виконаний у вигляді блоку типа INV.CONTROL STICK; - потенціометр керування виконаний у вигляді регульованого резистора з лінійною характеристикою; - блок зворотних зв'язків є блоком типа INV.ARC BACK. Між відмітними суттєвими ознаками технічного рішення, що заявляється, і технічним результатом, якій досягається, існує наступній причинно-наслідковий зв'язок. Дійсно, збільшення потужності, забезпечення стабільності зварювальних режимів і підвищення надійності пристрою досягається за рахунок нового виконання схемотехніки інверторного випрямляча, завдяки чому виключається можливість перевантаження і виходу з ладу одного або декількох силових модулів при паралельному включенні їх на загальне навантаження, оскільки додатково введений блок зворотних зв'язків відстежує зварювальні струми через силові модулі і коректує керуючі сигнали, яки поступають від загального блоку керування на силові модулі так, щоб відновити рівність зварювальних струмів через силові модулі при будь-яких коливаннях зварювального струму в дузі. Тому, у разі виникнення перекосу робочих струмів силових модулів з будь-якої причини, блок зворотних зв'язків формує коректуючий сигнал для загального блоку керування, який управляє роботою всіх силових модулів і оперативно відновлює рівність робочих струмів всіх силових модулів в широкому діапазоні зварювальних струмів. При цьому слід зазначити, що зварювальні апарати з використанням сучасних інверторів мають відмінні масо-габаритні показники, високу надійність і просте обслуговування завдяки використовуванню простої і надійної схеми силового модуля-інвертора. При цьому використовування інвертора відчутно знижує енерговитрати, зважаючи на високе ККД перетворення енергії, а простота і універсальність технічних рішень по компоновці інверторного устаткування дозволяє грамотно експлуатувати його обслуговуючим персоналом невисокої кваліфікації. Приватні відмітні ознаки дозволяють реалізувати пристрій, що заявляється, в конкретному виконанні, наприклад, випрямляч ВДЧ-301, напівавтомат ПДЧ-301 і установка УДЧУ-251. Досягнення зазначеного віще технічного результату можливо тільки при наявності сукупності всіх суттєвих ознак, викладених у формулі корисної моделі, при відсутності кожного з них технічний результат не може буті досягнутий. Проведень заявником аналіз рівня техніки, що включає пошук по патентних і науково-технічних джерелах інформації, з виявленням джерел, що містять інформацію про аналоги технічного рішення, яке заявляється, дозволяє установити, що заявником не виявлено аналога, який характеризується всією сукупністю ознак, ідентичної всім суттєвим ознакам корисної моделі, яка заявляється. Виділення з переліку виявлених аналогів прототипу, як найбільш близького по сукупності суттєвих ознак, дозволяє виявити сукупність суттєвих стосовно технічного результату, зазначеному заявником, відмітних ознак пристрою, якій заявляється, викладених у формулі корисної моделі. Тому можна затверджувати, що корисна модель відповідає умові охороноздатності за критерієм "новизна". А приведене нижче опис конструкції корисної моделі дозволяє зробити висновок про відповідність технічного рішення, що заявляється, критерію "промислової застосовності", тому що дана конструкція пристрою працездатна і може буті використана при виготовленні електрозварювальних апаратів, обладнаних інверторами, і яки використовують як джерело струму в швидкодійних системах для зварки (сучасні роботізірованниє системи). Корисна модель ілюстрована кресленням. На Фіг. показана структурна схема пристрою з двома силовими модулями, який призначений для роботи в режимі однопостового джерела з широким діапазоном зварювальних струмів. Пристрій, що заявляється, є випрямлячем інверторного типу, що має загальну схему завдання керуючих імпульсів і призначений для одночасного синхронного регулювання двох і більш силових інверторних модулів при їх паралельному включенні, причому інвертори виконані по однотактній прямоходовій схемі перетворювача. Багатоінверторний випрямляч паралельного включення, який заявляється, містить силові модулі 1, індуктори L1 і L2, вихідні клеми 2 пристрої, загальний блок керування 3 з декількома каналами керування відповідно числу силових модулів, потенціометр керування 4, блок зворотних зв'язків 5. Входи силових модулів 1 підключені до мережі змінного струму, а виходи - до індукторів L1 і L2, виходи яких з'єднали з вихідними клемами 2. Крім того, виходи індукторів L1 і L2 з'єднані з входами блоку зворотних зв'язків 5, вихід якого підключений до входу загального блоку керування 3, виходи якого з'єднані з входами керування силових модулів 1, а потенціометр керування 4 з'єднаний з входом загального блоку керування 3. Вищезгадані блоки можуть бути виконані, наприклад, в наступному виконанні: - силовий модуль 1 типа INV.160A Stick; - блок керування 3 типи INV.CONTROL STICK; - потенціометр керування 4 виконаний у вигляді регульованого резистора з лінійною характеристикою; - блок зворотних зв'язків 5 типа INV.ARC BACK. Силовий модуль 1 призначений для перетворення енергії мережі в електричні параметри, яки необхідні для дугової зварки. Блок типа INV.160A Stick представляє собою інверторний модуль з наступними параметрами: номінальна напруга мережі, В 220; номінальний зварювальний струм, А 160; межі регулювання зварювального струму, А 5-160. Блок керування 3 призначений для формування імпульсів керування силовим модулем. Блок типа INV.CONTROL STICK виконаний у вигляді електронної плати на базі мікросхеми з високим ступенем інтеграції. Живлення блоку проводиться стабілізованою напругою 12В. Потенціометр керування 4 призначений для ручного завдання величини зварювального струму і виконаний як регульований резистор з лінійною характеристикою. Блок зворотних зв'язків 5 призначений для формування сигналів, одержаних з датчиків в імпульси, яки подаються на блок керування. Блок INV.ARC BACK виконаний як електронна платня на базі спеціальної інтегральної мікросхеми. Багатоінверторний випрямляч працює таким чином. При подачі напруги мережі блок керування формує імпульси для роботи силових модулів. При цьому силові модулі перетворюють енергію мережі в технічні параметри струму, необхідні для зварки. На виході випрямляча з'являється напруга холостого ходу. При збудженні дуги сигнал з датчиків поступає на блок зворотних зв'язків і, далі, на блок керування, що забезпечує зміну імпульсів керування силовим блоком. Характеристика спеціально виконаних індукторів забезпечує необхідну динаміку зміни зварювального струму. Запропоноване рішення забезпечує необхідний баланс струмів через кожний силовий модуль при їх паралельному включенні, а також стабілізацію заданих параметрів. Технічні параметри випрямляча: Номінальна напруга і частота мережі, В/Гц 220/50Гц; Номінальний зварювальний струм, А 315; Номінальна тривалість включення навантаження, ПН=% 60; Межі регулювання зварювального струму, А 10-315; Габаритні розміри, мм 450x150x420; Маса (не більш), кг 15. У порівнянні з прототипом пропонований багатоінверторний випрямляч має ряд переваг: - електронне вирівнювання і стабілізацію робочих струмів на кожному з паралельно включених модулів за рахунок використовування загального блоку керування зв'язаного сигналами із загальним блоком зворотних зв'язків; - використання індукторів із спеціальною характеристикою для забезпечення потрібних динамічних характеристик зварювального струму. Силові модулі 1 працюють від сигналів, формованих загальним блоком керування 3 і блоком зворотних зв'язків 5, що забезпечує необхідну рівність струмів через обидва силові модулі 1, а наявність спеціальних індукторів L1 і L2 в силових ланцюгах також сприяє вирівнюванню струмів на кожному модулі. Підводячи підсумок вищеописаному, можна вказати наступні особливості і переваги пристрою, що заявляється, в порівнянні з прототипом: - використовується загальний блок керування (блок завдання керуючих імпульсів), що забезпечує синхронне регулювання двох і більш силових модулів інверторного типу; - застосовані спеціальні індуктори для вирівнювання робочих струмів. На підставі усього вищевикладеного можна зробити висновок, що задача, поставлена в дійсної корисної моделі - розробка нової схемотехніки багатоінверторного випрямляча паралельного включення - виконана з досягненням технічного результату - збільшення потужності, забезпечення стабільності зварювальних режимів і підвищення надійності пристрою.