Багатофункціональне інверторне джерело живлення для дугового електрозварювання

Многофункциональный инверторный источник питания для дуговой электросварки, содержащий неуправляемый сетевой выпрямитель с емкостным фильтром, к выходу которого подключен преобразователь постоянного напряжения в переменное (инвертор), состоящий из двух силовых транзисторных ключей и понижающего силового трансформатора, выходной выпрямитель, замыкающий и рекуперационные диоды, датчик тока и напряжения на нагрузке, датчик тока силовых ключей, блок задания сварочного тока (напряжения) и ограничения максимального тока силовых ключей, выходной сглаживающий дроссель, блок управления, включающий в себя последовательно соединенные регулятор, два входа, которого соединены с выходом датчика напряжения и тока соответственно, а третий вход - с выходом блока задания, широтно-импульсный модулятор и формирователь импульсов управления с гальванической развязкой для управления силовыми транзисторными ключами, при этом первичная обмотка трансформатора через силовые ключи присоединена к выходу сетевого выпрямителя, а начало вторичной обмотки через выпрямительный диод и сглаживающий дроссель - к входу сварочной цепи, содержащей электрод и изделие, вход блока ограничения максимального тока подключен к выходу датчика тока, а выход блока ограничения максимального тока соединен с управляющим входом формирователя импульсов, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый и второй блоки дифференцирования и задания потоку и напряжению, схема формирования требуемого значения первой производной по времени от напряжению, два входа которой соединены с выходами датчика напряжения и блока задания по напряжений соответственно, первый блок сравнения, снабженный вычитающим и двумя суммирующими входами, схема формирования требуемого значения первой производной по времени от сварочного тока, первый и второй входы которой соответственно подключены к выходу датчика тока и блока задания по току, второй блок сравнения, соединенный суммирующим входом с блоком формирования требуемой величины dl св/dt, вычитающим - с выходом второго блока дифференцирования и последовательно включенные корректирующее звено и усилитель, причем первый и второй суммирующие входы первого блока сравнения присоединены соответственно к выходам блока формирования величины dU* св/dt и усилителя, вычитающий вход соединен с выходом первого блока дифференцирования, выход - с входом регулятора, а выход второго блока сравнения подключен к входу корректирующего устройства Предлагаемое изобретение относится к электротехнологии, в частности сварочной техники, и предназначена для дуговой сварки плавящимся и неплавящимся электродами Известен инверторный источник постоянного тока для дуговой сварки, содержащий измерители сварочного тока и мощности, компараторы мощности, тока короткого замыкания, минимального тока, напряжения и минимального напряже ния [А с № 2028892, кл В23 К 9/00] Общими с заявляемым устройством признаками являются сетевой выпрямитель с емкостным фильтром, инверторная часть и отдельные элементы системы управления содержащей импульсный модулятор, усилитель импульсов управления, измеритель сварочного тока, компараторы тока и напряжения, регулятор При использовании известного источника питания не удается обеспечить требуемые (24)15 10 2001 (46) 15 10 2001, Бюл № 9, 2001 р (72) Квасницький Вячеслав Федорович, Верещаго Євген Миколайович, Мирошніченко Людмила Миколаївна, Пентегов Ігор Володимирович (73) УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МОРСЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ (56) Смоляков С В , Изварин Н В Многофункциональный источник питания для дуговой электросварки Журнал "Электротехника", 1991, № 1, с 3839 Зоя о О О 42010 динамические характеристики во всех возможных режимах его работы Кроме того, схема источника характеризуется узким диапазоном реализуемых режимов, а всякое расширение последнего приводит к схемотехнической сложности, возрастающей при расширении функций и резко удорожающей устройство Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является многофункциональный источник питания для дуговой электросварки, содержащий неуправляемый сетевой выпрямитель с емкостным фильтром, к выходу которого подключен преобразователь постоянного напряжения в переменное (инвертор), состоящий из двух силовых транзисторных ключей и понижающего силового трансформатора, выходной выпрямитель, замыкающий и рекуперационный диоды, датчики тока и напряжения на нагрузке, датчик тока силовых ключей, блоки задания сварочного тока (напряжения) и ограничения максимального тока силовых ключей, выходной сглаживающий дроссель, блок управления, включающий в себя последовательно соединенные регулятор, два входа которого соединены с выходом датчика напряжения и тока соответственно, а третий вход - с выходом блока задания, широтно-импульсный модулятор и формирователь импульсов управления с гальванической развязкой для управления силовыми транзисторными ключами, при этом первичная обмотка трансформатора через силовые ключи присоединена к выходу сетевого выпрямителя, а начало вторичной обмотки через выпрямительный диод и сглаживающий дроссель - к выходу сварочной цепи, содержащей электрод и изделие, вход блока ограничения максимального тока подключен к выходу датчика тока, а выход блока соединен с управляющим входом формирования импульсов Высокочастотный инвертор выполнен по однотактной схеме с прямым включением диода [Смоляков С В , Изварин Н В Многофункциональный источник питания для дуговой электросварки - Электротехника, 1991, № 1, с 38-39] По сравнению с предыдущим устройством общими признаками являются сетевой выпрямитель, высокочастотный инвертор, выполненный по однотактной схеме, датчики тока и напряжения на нагрузке, датчик тока силовых ключей, блоки задания сварочного тока (напряжения) и ограничения максимального тока силовых ключей, блок управления, состоящий из регулятора, широтно-импульсного модулятора и формирователя импульсов управления с гальванической развязкой Однако, при практическом применении такого источника питания (с жестко заданной структурой и фиксированными настроечными параметрами) невозможно обеспечить постоянство динамических свойств системы во всей области состояний нелинейного нестационарного объекта "источник питания - дуга", отрабатывающего технологические возмущения, приложенные к источнику питания Fnn и дуге Ffl, носящие случайный характер Это отрицательно сказывается на качестве сварного соединения, производительности установки в целом и ее технологических возможностях В основу изобретения поставлена задача усовершенствования многофункционального инверторного источника питания для дуговой элект росварки, в котором благодаря введению дополнительного контура управления обеспечивается желаемое качество управления (быстродействие, точность и т п ) выходными параметрами источника питания (сварочный ток, напряжение - длина дуги) при неполной и даже весьма малой априорной информации об объекте управления, возмущающих и управляющих воздействиях, что приводит к повышению качества сварного соединения и расширения технологических возможностей оборудования Поставленная задача решается тем, что в многофункциональный инверторный источник питания для дуговой электросварки, содержащий неуправляемый сетевой выпрямитель с емкостным фильтром, к выходу которого подключен преобразователь постоянного напряжения в переменное (инвертор), состоящий из двух силовых транзисторных ключей и понижающего силового трансформатора, выходной выпрямитель, замыкающий и рекуперационный диоды, датчики тока и напряжения на нагрузке, датчик тока силовых ключей, блоки задания сварочного тока (напряжения) и ограничения максимального тока силовых ключей, выходной сглаживающий дроссель, блок управления, включающий в себя последовательно соединенные регулятор, два входа которого соединены с выходом датчика напряжения и тока соответственно, а третий вход - с выходом блока задания, широтно-импульсный модулятор и формирователь импульсов управления с гальванической развязкой для управления силовыми транзисторными ключами, при этом первичная обмотка трансформатора через силовые ключи присоединена к выходу сетевого выпрямителя, а начало вторичной обмотки через выпрямительный диод и сглаживающий дроссель - к входу сварочной цепи, содержащей электрод и изделие, вход блока ограничения максимального тока подключен к выходу датчика тока, а выход блока ограничения максимального тока соединен с управляющим входом формирователя импульсов, согласно изобретению, дополнительно введены первый и второй блоки дифференцирования и задания по току и напряжения, схема формирования требуемого значения первой производной по времени от напряжения, два входа которой соединены с выходами датчика напряжения и блока задания по напряжению соответственно, первый блок сравнения, снабженный вычитающим и двумя суммирующими входами, схема формирования требуемого значения первой производной по времени от сварочного тока, первый и второй входы которой соответственно подключены к выходу датчика тока и блока задания по току, второй блок сравнения, соединенный с суммирующим входом с блоком формирования требуемой величины dl*CB/dt, вычитающим - с выходом второго блока дифференцирования и последовательно включенные корректирующее звено и усилитель, причем первый и второй суммирующие входы первого блока сравнения подсоединены соответственно к выходам блока формирования величины dll*CB/dt (символом (*) обозначено требуемое значение старшей производной) и усилителя, вычитающий вход соединен с выходом первого блока дифференцирования, выход - с входом регулятора, а выход второго 42010 блока сравнения подключен ко входу корректирующего устройства Введение дополнительного контура регулирования опирается на следующие два факта 1 Только скорость изменения X(n-i), равная Х(п) - высшей производной регулируемой величины, в любо момент времени явно зависит от управления воздействия, т е может быть изменена в нужном направлении 2 Все возмущения, которые проявляются на выходе системы, прежде всего проявляются в изменении старшей производной регулируемой величины Реализация управления по данной структурной схеме при использовании производных выходных координат источника питания позволяет практически исключить зависимость динамики всей системы от динамических свойств объекта при неизвестных или известных лишь частично входных воздействиях Эффект адаптации достигается за счет введения в алгоритм управления информации о ошибке, равной разности желаемой и реальной производной выходного сигнала, характеризующей отклонение от желаемого характера процесса управления Отсутствие в структуре регулятора элементов самонастройки, необходимых для реализации адаптивных алгоритмов, позволяет упростить последний в повысить его надежность С технической точки зрения получающаяся система оказывается достаточно простой Здесь же уместно отметить, что дополнительно вводимые элементы для реализации высококачественного алгоритма управления, могут быть реализованы на серийно выпускаемых интегральных схемах малой и средней степени интеграции Таким образом, введение дополнительных блоков обеспечивает сохранение желаемого качества процесса управления при изменении параметров объекта и действующих на него возмущений в широком диапазоне, что позволяет улучшить качество сварного соединения и расширить технологические возможности оборудования На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого многофункционального инверторного источника питания для дуговой электросварки Источник питания для дуговой сварки содержит неуправляемый сетевой выпрямитель 1 с емкостным фильтром, к выходу которого подключен преобразователь постоянного напряжения в переменное (инвертор 3), состоящий из двух силовых транзисторных ключей 4,5 и понижающего силового трансформатора 6, выходной выпрямитель 7, замыкающий 8 и рекуперационные 9, 10 диоды, датчики тока 11 и напряжения 12 на нагрузке, датчик тока 13 силовых ключей, блоки задания сварочного тока (напряжения) 14 и ограничения максимального тока силовых ключей 15, выходной сглаживающий дроссель 16, блок управления 17, включающий в себя последовательно соединенные регулятор 18, два входа которого соединены с выходом датчика напряжения 12 и тока 11 соответственно, а третий вход - с выходом блока задания 14, широтно-импульсный модулятор 19 и формирователь импульсов управления 20 с гальванической развязкой для управления силовыми транзисторными ключам, при этом первичная обмотка трансформатора 6 через силовые ключи 4,5 присоединена к выходу сетевого выпрямителя 1, а начало вторичной обмотки через выпрямительный диод 7 и сглаживающий дроссель 16 - к выходу сварочной цепи 21, содержащей электрод 22 и изделие 23, вход блока ограничения максимального тока 15 подключен к выходу датчика тока 13, а выход блока 15 соединен с управляющим входом формирователя импульсов 20, первый 24 и второй 25 блоки дифференцирования и задания по току 26 напряжения 27, схему формирования требуемого значения первой производной по времени от напряжения 28, два входа которой соединены с выходами датчика напряжения 12 и блока задания по напряжению 27 соответственно, первый блок сравнения 29, снабженный вычитающим и двумя суммирующими входами, схему формирования требуемого значения первой производной по времени от сварочного тока 30, первый и второй входы которой соответственно подключены к выходу датчика тока 11 и блока задания по току 26, второй блок сравнения 31, соединенный суммирующим входом с блоком формирования требуемой величины dl*cb/dt 30, вычитающим - с выходом второго блока дифференцирования 24 и последовательно включенные корректирующее звено 32 и усилитель 33, причем первый и второй суммирующие входы первого блока сравнения 29 подсоединены соответственно к выходам блока формирования dll*cb/dt 28 и усилителя 33, вычитающий вход соединен с выходом первого блока дифференцирования 25, выход - с входом регулятора 18, а выход второго блока сравнения 31 подключен к входу корректи рующего устройства 32 Предлагаемый источник питания достаточно прост сточки зрения технической реализации Величины dlcB/dt, dUcB/dt без существенных искажений могут быть оценены с помощью реального дифференцирующего звена с передаточной функцией М(р) = р/( хр+1), если на его вход подается непосредственно величина тока или напряжения Устройство работает следующим образом Управляемый преобразователь 3 энергии преобразует энергию сети в сварочное напряжение и ток, питающий электрическую дугу Регулятор 18 от блока задания 14 получают информацию о требуемом токе при сварке штучным электродом и методом ТИГ, а также о требуемом напряжении при сварке методом МИГ/МАГ В источнике питания функционируют два независимых контура управления Первый, медленно действующий, контур обеспечивает стабилизацию сварочного тока (напряжения на дуге), второй, быстродействующий, контур - защиту силовых транзисторных ключей Применение двухконтурной структуры регулятора обеспечивает, с одной стороны, устойчивость поджига и горения дуги, а с другой, - необходимое быстродействие для надежной защиты полупроводниковых приборов при коротком замыкании нагрузки и срыве регулирования Сигналы обратной связи, пропорциональные сварочному току и напряжению, поступают с датчика тока 11 и напряжения 12 на первые входы схем формирования требуемого значения первых производных dU*CB/dt, dl*CB/dt, 28, 30, на вторые входы которых подаются сигналы (lo(t), Uo(t) задания по току и напряжению В результате на выхо 42010 де схем формирования 28, ЗО получаем желаемые значения первых производных по времени от тока и напряжения С выходов указанных схем информация о dl*CB/dt и dll*CB/dt поступает на суммирующие входы блоков сравнения, на вычитающие входы которых подают сигналы о действительном значении соответствующих величин На выходе этих блоков формируются сигналы рассогласования е, = dx,*/dt - dx,/dt, і = 1,2 Введение последних в закон управления обеспечивает инвариантность движения в системе "источник питания - сварочная дуга" по отношению к параметрическим и аддитивным возмущениям (питающее напряжение, длина дуги и т д ) Это позволяет непосредственно в процессе сварки практически исключить зависимость динамики всей системы от свойств объекта управления, что повышает качество формирования сварного шва Кроме того, за счет надежного возбуждения дуги, автоматической подстройки свойств объекта при переходе от режима к режиму, а также оптимального регулирования параметров дуги на всех режимах работы расширяются технологические возможности оборудования При необходимости могут быть использованы производные более высоких порядков Экспериментальные исследования нового источника питания в виде смакетированных блоков и устройств, подключенных через ШИМ-модулятор к преобразователю энергии с транзисторным регулятором при дуговой сварке различными электродами показали, что источник питания обеспечивает высокое гарантированное качество и надежность сварных соединений, воспроизводимость условий протекания процесса независимо от типа покрытий и возмущений по длине дуги, вызванных переносом капель электронного металла и перемещениями электрода, связанных с нестабильностью напряжения электросети и др Применение нового источника питания позволяет при сварке, например, штучным электродом получить более концентрированную и "мягкую" дугу, за счет быстрого реагирования на короткое замыкание снизить риск прилипания электрода Более того, новое управление позволяет обеспечить высокую стабильность режима сварки, мелкокапельный перенос и уменьшение разбрызгивания электронного металла Сеть 10 15 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3-72-89 (03122) 2-57-03