Зварювальне джерело живлення змінного струму

Изобретение относится к источникам питания электродуговых и плазменных процессов сварки, резки, напыления и наплавки металлов, а также процессов гальванического и электрохимического покрытия металлов. Известно устройство для сварки на переменном токе, содержащее трансформатор с повышенным индуктивным сопротивлением рассеяния и с переключателем количества витков первичной обмотки, конденсатор, образующий с первичной обмоткой последовательный контур с собственной частотой колебаний, близкой к частоте питающей сети, электрически соединенные датчик сварочного тока и ключ, а также - схему совпадения и дополнительную обмотку, включенную последовательно и согласно с первичной обмоткой трансформатора, при этом свободный конец дополнительной обмотки подключен к одной из выходных клемм трансформатора через ключ, управляющий вход ключа соединен с выходом схемы совладения, разрешающий вход которой подключен к клемме трансформатора, а запрещающий - к выходу датчика сварочного тока[1]. Недостатком устройства является его громоздкость, вызванная необходимостью применения дополнительной обмотки и большого количества соединенных параллельно неполярных конденсаторов для обеспечения собственной частоты колебаний, близкой к частоте питающей сети. Кроме того, выход из строя одного из элементов электронной схемы защиты устройства может привести к возникновению феррорезонанса в нем, вызывающего перенапряжение на элементах контура и вы ход из строя самого источника. Известен источник питания сварочной дуги, содержащий сварочный трансформатор, реактор и конденсатор, последовательно включенные во вторичную обмотку трансформатора и образующие сварочную цепь[2]. Недостатком данного устройства является необходимость его тщательной настройки, т.к. величина емкости конденсатора должна быть выбранной таким образом, чтобы накопленной конденсатором энергии от источника питания и реактора было достаточно для возобновления дуги в случае ее погасания. А поскольку величина этого напряжения на конденсаторе определяется экспериментально и зависит от защитной среды или применяемого флюса, электрода, заготовки, длины дуги и т.д. и колеблется в широких пределах (от70 до 160В), то возникает необходимость в применении батареи неполярных конденсаторов и реакторов, что в целом снижает надежность устройства и ухудшает массогабаритные характеристики. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для питания дуги переменного тока, содержащее сварочный трансформатор, вторичная обмотка которого одним концом соединена с клеммой нагрузки, секционированный дроссель, к средней точке которого подсоединены аноды диодов и конденсаторы, при этом один вывод первого конденсатора подключен к свободному концу дросселя, другой - к катоду диода и другому концу вторичной обмотки сварочного трансформатора, один вывод второго конденсатора подсоединен к другому свободному концу дросселя, а его второй вывод - к катоду второго диода и другой клемме нагрузки [3]. Предлагаемое ус тройс тво позволяет использование его в низковольтной сварочной цепи при нас тройке индуктивных и емкос тных элементов в квазирезонанс на час тоте питающей сети. Однако, вс ледс твие того, что к конденсаторам период ически приклад ывается либо прямое напряжение, либо обратное, равное падению напряжения на открытом диоде, то использование в нем э лектролитических конденсаторов, обладающих значением емкос ти значительно большей, чем неполярные, невозможно и д ля обеспечения квазирезонанса на частоте питающей сети необход имо либо увеличивать индуктивнос ть дросселя, либо емкос ть конденсаторов пу тем соединения электоолитических конденсаторов вс тречно-параллельно или непояярных конденсаторов - параллельно в батареи, что неизбежно приводит к увеличению массы и габаритов устройс тва. Кроме того, поскольку выпускаемые промышленнос тью конденсаторы большой емкости облад ают значительным разбросом емкос ти (например, для электролитического конденсатора типа К50-18 ее разброс возможен в пределах от минус 20% до плюс 60% [ 4], а нас тройка в резонанс в данном устройс тве требу ет с тупенчатого перек лючения емкости конденсаторов либо дополнительных обмоток д росселя, то очень трудно достичь оптимального устойчивого технологического процесса сварки, который завис ит от условий сварки (защитной сред ы, флюса, электрода, длины дуги и т.п.), что ухудшает эксплуатационные характерис тики данного устройс тва. Задачей заявляемого изобретения является улучшение источника питания переменного тока для обеспечения возможности проведения сварочного процесса при оптимальном регулируемом значении сварочного тока независимо от условий сварки, что позволит улучшить эксплуатационные характеристики устройства, а также уменьшить его массу и габариты. Поставленная задача решается тем, что в сварочный источник питания переменного тока, содержащий сварочный трансформатор с повышенным индуктивным сопротивлением рассеяния, первый вывод вторичной обмотки которого соединен с первой клеммой нагрузки, два конденсатора и два диода, причем первый диод катодом подключен ко второму выводу вторичной обмотки сварочного трансформатора, второй диод катодом соединен с первым выводом второго конденсатора, введены блок управления, формирователь, подключенный входом к первичной обмотке сварочного трансформатора, а первым и вторым выходами - соответственно к первому и второму входам блока управления, шунт, первый вывод которого соединен со второй клеммой нагрузки и третьим входом блока управления, а также - два тиристора, причем катод первого тиристора подключен к общей точке соединения анода первого диода с первым выводом первого конденсатора, анод второго диода подключен ко второму выводу вторичной обмотки сварочного трансформатора, его катод соединен с анодом второго тиристора, управляющие электроды первого и второго тиристоров подключены соответственно к первому и второму выходам блока управления, анод первого тиристора, катод второго тиристора, вторые выводы конденсаторов и шун та соединены с общим проводом питания. Кроме того, блок управления содержит два генератора линейно нарастающего напряжения, входы запуска которых являются соответственно первым и вторым входами блока управления, усилительнормализатор, вход которого является третьим входом блока управления, два интегратора, два компаратора, два элемента запуска, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами блока управления, причем к первому и второму выходам усилителя-нормализатора подключены входы соответственно первого и второго интеграторов, выходы которых соединены с первыми входами соответственно первого и второго компараторов, ко вторым входам которых подключены выходы соответственно первого и второго генераторов линейно нарастающего напряжения, выход первого компаратора соединен с первым входом первого элемента запуска, выход второго компаратора соединен с первым входом второго элемента запуска, а вторые входы первого и второго элементов запуска подключены к входам соответственно первого и второго генераторов линейно нарастающего напряжения. Отличием предлагаемого изобретения является введение упомянутых новых элементов в электрическую схему устройства и особенности подключения их к остальным элементам источника питания. Это позволяет использовать в цепи переменного тока источника высокоемкостные электролитические конденсаторы, применявшиеся, как известно, только в цепях постоянного тока ввиду их полярности. Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена функциональная схема сварочного источника питания переменного тока, на фиг. 2 - эпюры напряжений. Сварочный источник питания переменного тока содержит сварочный трансформатор 1 с повышенным индуктивным сопротивлением рассеяния, первый вывод вторичной обмотки которого соединен с первой клеммой 2 нагрузки, конденсаторы 3, 4, диоды 5, 6, триггеры 7, 8, шунт 9, подсоединенный первым выводом ко второй клемме 10 нагрузки, формирователь 11, подключенный входом к первичной обмотке трансформатора 1, а первым и вторым выходами - соответственно к первому и второму входам блока 12 управления, третий вход которого соединен с клеммой 10, причем второй вывод вторичной обмотки трансформатора 1 подсоединен к аноду диода 5 и катоду диода 6, анод тиристора 7 подключен к общей точке соединения катода диода 5 и первого вывода конденсатора 3, катод тиристора 8 - к общей точке соединения анода диода 6 и первого вывода конденсатора 4, катод тиристора 7, анод тиристора 8, вторые выводы конденсаторов 3, 4. и шунта 9 соединены с общим проводом питания, управляющие электроды тиристоров 7 и 8 -соответственно с первым и вторым выходами блока 12 управления, который содержит генераторы 13, 14 линейно нарастающего напряжения, входы запуска которых являются соответственно первыми вторым входами блока 12. усилитель-нормализатор 15, выход которого является третьим входом блока 12, интеграторы 16, 17, компараторы 18,19, элементы запуска 20,21, входы которых являются соответственно первым и вторым выходами блока 12, причем к первому выходу усилителянормализатора 15 подключен вход интегратора 16, к его второму вы ходу - вход интегратора 17, выходы интеграторов 16 и 17 соединены с первыми входами соответственно компараторов 18 и 19, ко вторым входам которых подсоединены выходы соответственно генераторов 13 и 14, выход компаратора 18 соединен с первым входом элемента запуска 20, выход компаратора 19 соединен с первым входом элемента 21, а вторые входы элементов запуска 20, 21 подключены к входам соответственно генераторов 13 и 14. В качестве трансформатора 1 можно использовать понижающий трансформатор с повышенным индуктивным сопротивлением рассеяния. Конденсаторы 3,4 можно применить, например, типа K50-18, имеющие максимальное значение емкости 22000 мкФ при рабочем напряжении 50В [4]. Емкость конденсаторов 3,4 определяют исходя из условия равенства их емкостного сопротивления и индуктивного сопротивления вторичной обмотки трансформатора 1 на частоте питающей сети. Значение емкостей конденсаторов 3. 4 в данном устройстве при работе источника от промышленной сети частоты 50 Гц достигают десятков тысяч Микрофарад. Поскольку электролитические конденсаторы имеют значительный разброс емкостных параметров, что приводит к отклонению от критического условия резонанса, имеющего место при равенстве индуктивного сопротивления трансформатора и емкостных сопротивлений конденсаторов для каждой полуволны питающего напряжения, то оптимальные условия стабилизации горения дуги устанавливаются экспериментально путем регулировки угла включения a 1 и a 2 тиристоров 6, 7 в пределах 0-20° (см. фиг. 2) и установки равенства токов в каждой емкостной ветви с помощью блока 12. Тиристоры 7, 8 и диоды 5, 6 можно использовать любые, рассчитанные на соответствующие ток и напряжение вторичной обмотки трансформатора 1. Формирователь 11 можно реализовать, например, по известной схеме пороговых устройств для переменных сигналов с оптронной развязкой входных цепей [5] на микросхемах, например, серии К140. Причем на первом выходе формирователя устанавливается низкий уровень напряжения (в дальнейшем - уровень логического нуля), а на втором выходе - высокий уровень напряжения (в дальнейшем - уровень логической единицы) при положительном полупериоде входного напряжения, и, наоборот, на первом выходе - уровень логической единицы, а на втором - уровень логического нуля при отрицательном полупериоде входного напряжения. В качестве шунта 9 можно применить, например, отрезок проволоки из высокоомного сплава из расчета получения на нем падения напряжения в несколько десятков милливольт при максимальном значении протекающего через него тока. Усилитель-нормализатор 15 можно реализовать, например по схеме двухканального усилителя переменного напряжения, причем первый канал является инвертирующим и усиливает только отрицательные полуволны входного напряжения, второй канал - неинвертирующий и усиливает только положительные полуволны входного напряжения, а интеграторы 16 и 17 - по схеме неинвертирующего интегратора на микросхемах, например, серии К140[2]. В качестве компараторов 18, 19 можно использовать, например, микросхему КМ597САЗ, содержащую два независимых прецизионных компаратора. Генераторы 13. 14 линейно нарастающего напряжения практически можно выполнить на микросхеме интегрального таймера КР1006ВИ1 по известной схеме ждущего генератора линейно нарастающего напряжения [6], сформировав из положительных перепадов выходных импульсов формирователя 11 короткие запускающие импульсы (формирователи запускающих импульсов на фиг. 1 не показаны). Элементы запуска 20, 21 можно реализовать по схемам, приведенным в [7]. Предлагаемый источник питания работает следующим образом. В исходном состоянии при. отсутствии питания на трансформаторе 1 конденсаторы 3,4 разряжены. При включении трансформатора 1 в сеть на его вторичной обмотке поочередно появляется положительная полуволна питающего напряжения, которая через диод 5, конденсатор 3 и шунт 9 прикладывается к клеммам 2, 10. Аналогичным образом на клеммы 2, 10 поступает отрицательная полуволна через диод 6, конденсатор 4 и шунт 9. что приводит к возбуждению дуги. Причем уровень этого напряжения U(t) определяется параметрами суммарного емкостного сопротивления ячеек конденсаторов 3,4 и индуктивного сопротивления вторичной обмотки трансформатора 1. Падение напряжения U1 (фиг. 2) на шунте 9 поступает на вход усилителянормализатора 15, на первом и втором выходе которого при этом присутствуют положительные полуволны соответственно U3 и U2 усиленного входного напряжения. В момент времени t1 (фиг. 2), когда отрицательная полуволна через диод 6, конденсатор 4 и шунт 9 поступает на клеммы 2, 10, усиленное падение напряжения U3 на шунте 9 с вы хода усилителя-нормализатора 15 блока 12 поступает на вход интегратора 16, на выходе которого формируется напряжение 1 t2 U4 = ò U( t )dt , (1) T t1 где Т - постоянная времени интегратора. В этот же момент времени ti сформированный на первом выходе формирователя 11 уровень логической единицы U5 поступает на вход элемента запуска 20 и вход генератора 13, в результате чего на его выходе начинает формироваться линейно нарастающее напряжение U6 уровень которого сравнивается компаратором 18 с уровнем напряжения U4 и при значении U6 > U4 [2] на выходе компаратора 18 устанавливается уровень логической единицы, в результате чего на выходе элемента запуска 20 формируется сигнал U7, открывающий тиристор 7. При этом конденсатор 3 разряжается через открытый тиристор 7, т. к. диод 5 в период времени заперт. Аналогичные процессы происходят в промежуток времени, когда на нагрузку поступает положительная полуволна напряжения через конденсатор 3, а конденсатор 4 при этом разряжается через открытый тиристор 8. На фиг. 2 очевидно, что изменением амплитуды выходного напряжения генератора 13 и 14 можно регулировать угол отпирания тиристоров 7 и 8 и устанавливать равенство токов в каждой емкостной ветви. Кроме того, таким же методом значение тока в сварочной цепи легко можно подстроить к каждым определенным условиям сварки и достичь оптимального устойчивого те хнологического процесса. Описанные отличительные признаки заявляемого устройства позволяют достичь требуемый технический результат, обусло вленный задачей изобретения. Наличие двух тиристоров с заявляемым типом связи между ними и элементами устройства дает возможность разделить положительную и отрицательную полуволны переменного тока и поддерживать соответствие полярности полуволн синусоиды тока полярности полюса (обкладки) конденсатора в каждой емкостной ветви в течение всего сварочного процесса. Это позволяет увеличить устойчивость и стабильность последнего. Кроме того, возможность применения высокоемкостных конденсаторов значительно уменьшает вес и габариты устройства, т. к. в этом случае отпадает необходимость соединения нескольких конденсаторов в батареи либо встречнопараллельно, как это имеет место в вышеупомянутых известных изобретениях. В свою очередь, регулирование угла отпирания тиристоров позволяет оптимизировать режим сварочного процесса в зависимости от условий сварки. Таким образом, по сравнению с устройством-прототипом предлагаемое устройство: во-первых, обладает меньшими габаритами и массой, т. к. в нем отсутствует громоздкий дроссель и, по крайней мере, в два раза меньше конденсаторов; во-вторых, обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками, т. к.позволяет производить сварку при оптимальном регулируемом значении сварочного тока независимо от условий сварки и постоянно корректировать значение сварочного тока. меняющегося из-за временного старения конденсаторов и ухода значения их емкостей, который может достигать минус 50% номинальной емкоста [4] и оказывать существенное влияние на качество сварки.