Джерело живлення для дугового зварювання змінним струмом

Реферат: Винахід належить до електродугового зварювання електродом, що не плавиться, та може бути використаний для покращення масогабаритних і техніко-економічних показників зварювальних джерел живлення та підвищення якості зварних з'єднань. Джерело живлення для дугового зварювання змінним струмом містить трансформатор та послідовно включений в зварювальне коло пристрій компенсації постійної складової зварювального струму, який виконано у вигляді однофазного мостового інвертора, утвореного чотирма силовими ключами з системою управління. Виводи змінного струму інвертора підключені у зварювальне коло, до виводів постійного струму інвертора підключений конденсатор, причому виводи системи управління з'єднані з керуючими електродами ключів мостового інвертора. Застосування пристрою дозволить усунути постійну складову вторинного струму зварювального трансформатора (зварювального струму), покращити масогабаритні показники джерела живлення, підвищити його надійність і забезпечити плавне регулювання зварювального струму. UA 109219 C2 (12) UA 109219 C2 UA 109219 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електродугового зварювання електродом, що не плавиться, та може бути використаний для покращення масогабаритних і техніко-економічних показників зварювальних джерел живлення та підвищення якості зварних з'єднань. Для зварювання алюмінієвих сплавів може бути використаний GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) процес, при якому електрична дуга горить між вольфрамовим електродом, який не плавиться, і алюмінієвим виробом. Через те, що напруга на зварювальній дузі при GTAW зварюванні залежить від знака струму, у вторинному колі зварювального трансформатора виникає постійна складова струму, яка може становити до 70-80 % робочого зварювального струму. Ця постійна складова зварювального струму викликає підмагнічування осердя трансформатора, що призводить до зростання струму намагнічування і перегріву трансформатора з-за явища магнітного насичення. Відоме джерело живлення для дугового зварювання змінним струмом, що містить трансформатор та послідовно включений в зварювальне коло пристрій компенсації постійної складової зварювального струму (Закс М.М. и др. Трансформаторы для электродуговой сварки / М.М. Закс, Б.А. Каганский, А.А. Печенин. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. Отделение, 1988. 136 с.), причому пристрій компенсації постійної складової зварювального струму виконано у вигляді резистора, зашунтованого силовим діодом, причому полярність останнього вибирається такою, щоб він пропускав струм в напівперіоди зворотної полярності. Перевагою такого пристрою є його простота. До недоліків пристрою слід віднести значні втрати активної потужності в резисторі та необхідність використовувати змінний резистор через те, що при зміні режиму зварювання треба його переналаштовувати. Відоме джерело живлення для дугового зварювання змінним струмом, що містить трансформатор та послідовно включений в зварювальне коло пристрій компенсації постійної складової зварювального струму (А.С. 707712 СССР. Источник питания для электродуговой сварки / Ю.Н. Горлов, М.И. Закс, Б.А. Каганский, и др. // Открытия. Изобретения. 1980. № 1.), причому пристрій компенсації постійної складової зварювального струму виконано у вигляді паралельно з'єднаних резистора, діода та тиристора, що забезпечує проходження зварювального струму прямої полярності через резистор впродовж паузи основного струму (близько 1 мс), а після неї - через тиристор, і зворотної полярності - через діод. Опір резистора вибирається за умови підтримання мінімального струму дуги. Такий пристрій не потребує переналаштовування при зміні режиму зварювання, забезпечує обмеження постійної складової зварювального струму до 10-12 % від діючого значення струму. До недоліків відносяться втрати активної потужності на резисторі, неможливість повного усунення постійної складової зварювального струму у зварювальному колі. Відоме джерело живлення для дугового зварювання змінним струмом, що містить трансформатор та послідовно включений в зварювальне коло пристрій компенсації постійної складової зварювального струму (Закс М.М. и др. Трансформаторы для электродуговой сварки / М.М. Закс, Б.А. Каганский, А.А. Печенин. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1988. 136 с.). Причому пристрій компенсації постійної складової зварювального струму являє собою батарею конденсаторів, яка перешкоджає протіканню постійного струму. Перевагою такого пристрою є його простота. Недоліки пристрою: великі масогабаритні показники та низька надійність неполярних електролітичних конденсаторів, складність регулювання зварювального струму. Пристрій прийнято за прототип. В основу винаходу поставлена задача удосконалення джерела живлення для дугового зварювання змінним струмом, що дозволить покращити масогабаритні показники джерела живлення, підвищити його надійність і забезпечити плавне регулювання зварювального струму. Для вирішення поставленої задачі в джерелі живлення для дугового зварювання змінним струмом, що містить трансформатор та послідовно включений в зварювальне коло пристрій компенсації постійної складової зварювального струму, відповідно до винаходу, пристрій компенсації постійної складової виконаний у вигляді однофазного мостового інвертора, що утворений чотирма силовими ключами з системою управління, виводи змінного струму інвертора підключені у зварювальне коло, до виводів постійного струму інвертора підключений конденсатор, причому виводи системи управління з'єднані з керуючими електродами ключів мостового інвертора. Запропоноване технічне рішення пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показана спрощена схема зварювального кола, на фіг. 2 показана схема силової частини запропонованого пристрою, на фіг. 3 наведена структурна схема системи управління. Постійна складова зварювального струму буде відсутня, якщо середня напруга на вторинній обмотці зварювального трансформатора буде дорівнювати нулю. Цього можна досягти, якщо у 1 UA 109219 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 вторинне коло підключити кероване джерело ЕРС (фіг. 1). При цьому треба вирішити наступні задачі: 1) усунути постійну складову напруги на вторинній обмотці; 2) забезпечити керування активною потужністю керованого джерела ЕРС, що дає можливість виконати його як послідовний активний фільтр і обійтись без додаткового джерела живлення; 3) забезпечити керування зварювальним струмом і його стабілізацію. Усунення постійної складової напруги на вторинній обмотці здійснено за рахунок формування постійної складової ЕРС, яка дорівнює постійній складовій напруги на зварювальній дузі. Це забезпечується шляхом виділення і компенсації постійної складової вторинного струму трансформатора за допомогою І-регулятора (компенсатор постійної складової КПС, фіг. 3). Керування активною потужністю керованого джерела ЕРС здійснюється шляхом формування синусоїдальної ЕРС, яка є синфазною з основною гармонікою вторинного струму трансформатора. Амплітуда цієї ЕРС пропорційна активній потужності керованого джерела ЕРС. Керування зварювальним струмом здійснюється шляхом введення у вторинний ланцюг синусоїдальної ЕРС, яка зсунута на 90 електричних градусів (знаходиться в квадратурі) відносно основної гармоніки зварювального струму. Ця ЕРС не впливає на споживану керованим джерелом ЕРС активну потужність, проте дозволяє забезпечити керування вторинним струмом трансформатора (кероване джерело ЕРС являє собою імітований реактивний опір). Формування синфазного і квадратурного сигналів забезпечується петлею фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ, PLL-Phase Locked Loop, фіг. 3). В якості керованого джерела ЕРС виступає послідовний активний фільтр, що підключається в розрив зварювального кола, та представляє собою інвертор напруги з ланкою постійного струму (фіг. 2). Як силові ключі можуть бути використані польові транзистори IRFS4010-7 (по два в паралель) для зварювального струму до 200 А. Конденсатор ланки постійного струму має ємність 82000 мкФ і максимальну робочу напругу 100 В. Схема керування інвертором виконана із застосуванням спеціалізованих драйверів FOD3184 та мікроконтролера STM32F100C6T6B. Структурна схема системи управління наведена на фіг. 3. Напруга завдання інвертора формується як результат складання трьох сигналів: вихідного сигналу компенсатора постійної складової КПС Е0, синфазної ed(t) і квадратурної eq(t) складових. Амплітуда синфазної складової ed(t) визначається сигналом з ПІ-регулятора напруги ланки постійного струму (РН, фіг. 3), на який подається різницевий сигнал між напругою завдання на ланці постійного струму UDC_ref та дійсною напругою ланки постійного струму UDC. Амплітуда квадратурної складової eq(t) визначається сигналом з ПІ-регулятора струму дуги (PC, фіг. 3), на який подається різниця між завданням струму IA_ref та середньоквадратичним струмом дуги ІA, який формується блоком обчислення середньоквадратичного (RMS, фіг. 3). Вихідні сигнали регуляторів РН та PC перемножуються з опорними сигналами першої гармоніки струму дуги, які виділяються за допомогою петлі фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ, PLL, фіг. 3). Блок PLL формує сигнали з фазами 0 та 90 електричних градусів. Сигнал ЕРС задання e*(t) формується як сума Е0, ed(t) та eq(t) і подається на ШІМ-регулятор (PWM, фіг. 3), який формує сигнали керування силовими ключами інвертора. Застосування пристрою дозволить усунути постійну складову вторинного струму зварювального трансформатора (зварювального струму), покращити масогабаритні показники джерела живлення, підвищити його надійність і забезпечити плавне регулювання зварювального струму. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 Джерело живлення для дугового зварювання змінним струмом, що містить трансформатор та послідовно включений в зварювальне коло пристрій компенсації постійної складової зварювального струму, яке відрізняється тим, що пристрій компенсації постійної складової зварювального струму виконаний у вигляді однофазного мостового інвертора, що утворений чотирма силовими ключами з системою управління, причому виводи змінного струму інвертора підключені у зварювальне коло, до виводів постійного струму інвертора підключений конденсатор, а виводи системи управління з'єднані з керуючими електродами ключів мостового інвертора. 2 UA 109219 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3