Пристрій для формування різнополярних зварювальних імпульсів струму

Реферат: Пристрій для формування різнополярних зварювальних імпульсів струму містить чотири ключі, силові входи двох із них підключені до позитивної клеми джерела постійного струму, а два інших - до негативної клеми того ж джерела, блок керування, перший вихід якого підключений до керуючого входу першого та третього ключів, а другий вихід - до керуючого входу другого та четвертого ключів, причому силові виходи першого та третього ключів підключені до першої клеми дугового навантаження, а силові виходи другого та четвертого ключів підключені до другої клеми дугового навантаження. Введені, як джерела постійного струму, батарея конденсаторів - електрофізичних накопичувачів енергії, блок заряду конденсаторів, який містить засоби, які заряджають батарею конденсаторів, та датчики, які вимірюють величини зарядного струму та напруги; вимірювач струму навантаження, який включений послідовно з дуговим навантаженням; вимірювач напруги на клемах навантаження, який включений паралельно дуговому навантаженню; блок-контролер величини внутрішнього опору блока заряду та величини опору зовнішнього навантаження. UA 103893 U (12) UA 103893 U UA 103893 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі електротехнології, а саме - до джерел вторинного електроживлення, які призначені для імпульсного живлення зварювальної дуги та іншої радіоелектронної апаратури, засобів автоматики і т. інше. Сучасний рівень розвитку зварювальних технологій потребує створення імпульсних джерел живлення зварювальної дуги, характерною ознакою яких є висока надійність при мінімальних масових та габаритних параметрах. Один з напрямків вирішення задачі перетворення величини напруги полягає в використанні джерел вторинного електроживлення з безтрансформаторним входом, в яких напруга мережі живлення промислової частоти перетворюється пристроєм на силових перемикальних елементах (діодах, транзисторах або тиристорах) в різнополярну напругу підвищеної частоти, який живить високочастотний трансформатор, вторинна обмотка якого або є виходом пристрою, або живить випрямляч, вихід якого є виходом пристрою. Наявність вихідного високочастотного трансформатора, який має частотні обмеження, обмежує функціональні можливості джерел живлення зварювальної дуги. Саме тому є актуальним розробка альтернативних напрямків створення пристроїв для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу довільної частоти, які розширюють функціональні можливості різноманітних джерел живлення. Останнім часом, в зв'язку з розвитком потужних силових конденсаторів та відносно низкою їх вартістю у порівнянні з іншими накопичувачами енергії, з′явилась можливість побудови імпульсних джерел живлення для потреб зварювальних технологій з використанням ємнісних накопичувачів енергії. Як правило, пристрої для перетворення змінної напруги промислової частоти в різнополярну напругу підвищеної частоти містять під'єднаний до мережі живлення промислової частоти силовий випрямляч з середньою точкою, на виході якого знаходиться конденсаторний накопичувач та, включений паралельно конденсатору, перетворювач, керуючий вхід якого підключений до блока підвищеної частоти, а вихід живить первинну обмотку вихідного трансформатора, вторинна обмотка якого є виходом пристрою, до якого може підключатися навантаження, зокрема дугова [Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом / А.А.Бас, В.П. Миловзоров, А.К. Мусолин. - М.: Радио и связь, 1987. - 160 с.: ил.]. При включенні пристрою-аналога для перетворення змінної напруги промислової частоти в змінну напругу підвищеної частоти до мережі живлення змінна напруга випрямляється силовим випрямлячем та заряджає конденсатор. Перетворювач постійної напруги в змінний струм підвищеної частоти, згідно з сигналами блока підвищеної частоти створює в первинній обмотці вихідного трансформатора пульсуючий струм, який перетворюється вихідним трансформатором в змінну напругу підвищеної частоти. Перетворювач постійної напруги в змінний струм підвищеної частоти може бути виконаний: по одноімпульсній двоключовій (2-switch forward) схемі [Эраносян С.А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. - П.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1991. - С. 176.]; по двоімпульсній двоключовій "push-pull" схемі (Перетворювальна техніка. Підручник ч.2 / Ю.П. Гончаров, О.В. Будьонний, В.Г. Морозов, М.В. Панасенко, В.Я. Романенко, B.C. Руденко. За ред. B.C. Руденко. - Харків: Фоліо, 2000. - 360 с. ISBN 966-03-06970.] або по двоімпульсній чотириключовій повномостовій (full bridge) схемі [Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом для электронной аппаратуры. Учеб. пособие / В.В. Пилинский. - Киев: КПИ, 1985. - 104 с.]. Спільним недоліком цих пристроїв-аналогів є зниження надійності пристрою з тієї причини, що, за наявності індуктивного елемента (вихідного трансформатора), напруга між електродами ключів в динамічному режимі, може перевищувати напругу однополярного силового випрямляча майже в два рази. В результаті може відбутися електричне пошкодження напівпровідникових переходів ключів, та, як результат, вихід пристрою з ладу. За прототип корисної моделі, що пропонується, прийнятий гібридний пристрій для перетворення енергії постійного струму на вході в енергію постійного струму на виході [Патент UA № 41218 від 12.05.2009., опубл. 12.05.2009. Бюл. № 9, 2009 г "Гібридний пристрій для перетворення енергії постійного струму на вході в енергію постійного струму на виході" Коротинский О.Є., Скопюк М.І., Драченко М.П], що містить трансформатор, що має дві первинні обмотки, чотири ключі, силові входи двох із них підключені до позитивної клеми живлячого джерела постійного струму, а два інших - до негативної клеми того ж джерела, блок керування, перший вихід якого підключений до керуючого входу першого та третього ключів, а другий вихід - до керуючого входу другого та четвертого ключів; вторинна обмотка трансформатора підключена до входів змінного струму (АС-входи) випрямляча, виходи постійного струму (DCвиходи) якого є виходами пристрою до яких підключають навантаження, причому силовий вихід першого ключа підключено до початку першої первинної обмотки, а силовий вихід третього 1 UA 103893 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ключа підключено до кінця першої первинної обмотки, силовий вихід другого ключа підключено до кінця другої первинної обмотки, а силовий вихід четвертого ключа підключено до початку другої первинної обмотки. В межах схеми-прототипу процес перетворення енергії постійного струму на вході в енергію постійного струму на виході відбувається наступним чином. Блок керування генерує імпульси певної частоти, які періодично та по-черзі замикають та розмикають ключі. При замкнених першому та третьому ключах, другий та четвертий ключі при цьому розімкнуті, струм вхідного джерела постійного струму проходить через першу первинну обмотку в прямому напрямку. При замкненому другому та четвертому ключах, перший та третій ключі при цьому розімкнуті, струм вхідного джерела постійного струму проходить через другу первинну обмотку в протилежному напрямку. Магнітні потоки, що створюються струмами в першій та другій первинних обмотках додаються, з урахуванням їх напрямків, в осерді трансформатора. Сумарний знакозмінний магнітний потік індукує напругу змінного струму у вторинній обмотці трансформатора, яка, в свою чергу, підключена до входів змінного струму (АС-входи) випрямляча. Виходи постійного струму (DC-виходи) останнього є виходами пристрою, до яких підключають навантаження. Недоліками цього пристрою є, обмеження функціональний можливостей пристрою з причини залежності електричних параметрів вихідного трансформатора від частоти. По-друге, пристрій-прототип має підвищену матеріалоємність та високу собівартість причиною якої є те, що при виготовленні вихідного трансформатора, використовуються недешеві матеріали, такі як електотехнічні сталі (до речі не виготовляються в Україні) та кольорові метали (мідь, алюміній тощо). В основу корисної моделі, що пропонується, поставлена задача розширення функціональних можливостей та зниження матеріалоємності і собівартості при промисловому випуску пристрою для формування різнополярних зварювальних імпульсів струму, особливо, якщо потрібно сформувати різнополярні зварювальні імпульси струму з частотою, яка нижча за 50 Гц (частотній діапазон 10-50 Гц). Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в пристрій для формування різнополярних зварювальних імпульсів струму, що містить чотири ключі, силові входи двох із них підключені до позитивної клеми джерела постійного струму, а два інших - до негативної клеми того ж джерела, блок керування, перший вихід якого підключений до керуючого входу першого та третього ключів, а другий вихід - до керуючого входу другого та четвертого ключів, причому силові виходи першого та третього ключів підключені до першої клеми дугового навантаження, а силові виходи другого та четвертого ключів підключені до другої клеми дугового навантаження, згідно з корисною моделлю, введені, як джерело постійного струму, батарея конденсаторів - електрофізичних накопичувачів енергії, блок заряду конденсаторів, який містить засоби, які заряджають батарею конденсаторів, та датчики, які вимірюють величини зарядного струму та напруги; вимірювач струму навантаження, який включений послідовно з дуговим навантаженням; вимірювач напруги на клемах навантаження, який включений паралельно дуговому навантаженню; блок - контролер величини внутрішнього опору блока заряду та величини опору зовнішнього навантаження. В запропонованій корисній моделі розширення функціональних можливостей та зменшення маси та габаритних розмірів досягається за рахунок виключення трансформатора, яке дозволяє уникнути залежності електричних параметрів елементів пристрою від частоти, що дозволяє формувати різнополярні зварювальні імпульси струму як надвисоких, так і наднизьких частот. Відсутність магнітних та моточних складових в конструкції пристрою дозволяє знизити матеріалоємність та собівартість пристрою при його промисловому виробництві. Виключення трансформатора (відсутність індуктивностей) також підвищує надійність роботи ключів. Крім цього, підвищення надійності досягається також завдяки введенню контролера величин внутрішнього опору блока заряду та опору зовнішнього навантаження, який задає такий режим заряду батареї конденсаторів, при якому внутрішній опір блока заряду завжди менше від опору зовнішнього навантаження. Зазначений вище технічний результат, який забезпечується в процесі роботи запропонованого варіанта пристрою для формування різнополярних зварювальних імпульсів струму, обумовлений ознаками, які відрізняють цей варіант за сумою ознак, від подібних пристроїв, описаних згідно з відомим рівнем техніки, зокрема описаних у винаході і як аналоги, і як прототип. Запропонований пристрій для формування різнополярних зварювальних імпульсів струму пояснюють наведені креслення, де: на Фіг. 1 зображена функціональна схема пристрою для формування різнополярних зварювальних імпульсів струму; 2 UA 103893 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 на Фіг. 2 зображена функціональна схема одного з можливих варіантів виконання блока заряду батареї конденсаторів. Згідно з корисною моделлю, функціональна схема Фіг. 1, пристрій для формування різнополярних зварювальних імпульсів струму містить батарею конденсаторів 1, блок заряду конденсаторів 2, чотири силових ключі 3-6, блок керування 7, вимірювач струму 8 навантаження 9, вимірювач напруги 10 на клемах А-Б навантаження 9, блок-контролер 11 величини внутрішнього опору блока заряду конденсаторів 2 та величини опору зовнішнього навантаження 9. Силові входи першого 3 та третього 5 ключів підключені до позитивної клеми батареї конденсаторів 1, а силові входи другого 4 та четвертого 6 ключів підключені до негативної клеми батареї конденсаторів 1. Прямий вихід блока керування 7 підключений до керуючого входу першого 3 та четвертого 6 ключів, а інверсний вихід блока керування 7 підключений до керуючого входу другого 4 та третього 5 ключів. Силові виходи першого 3 та другого 4 ключів підключені до першої клеми А дугового навантаження, а силові виходи третього 5 та четвертого 6 ключів підключені до другої клеми Б дугового навантаження 9, послідовно з якою включений вимірювач струму навантаження 8. Вимірювач напруги на клемах А-Б навантаження 10 включений паралельно дуговому навантаженню 8. Інформаційні сигнали з виходів вимірювача струму 8 та вимірювача напруги 10 підключені до третього В та четвертого Γ входів блокконтролера 11, на перший Д та другий Е входи якого підключені інформаційні виходи блока заряду конденсаторів 2. Вихід блок-контролера 11 підключений до керуючого входу Л блока заряду конденсаторів 2. Функціональна схема Фіг. 2 показує, як приклад, один з можливих варіантів виконання блока заряду конденсаторів 2 (Фіг. 1.), до складу якого входить під'єднаний до однофазної мережі живлення 220 В 50 Гц перетворювач AC-DC (випрямляч) 12, виходи якого підключені до керованого регулятора зарядного струму (перетворювач DC-I) 13, виходи якого 6 підключені до вимірювача зарядної напруги 14 та, через вимірювач зарядного струму 15, до позитивної та негативної клеми батареї конденсаторів 1 (Фіг. 1.). Інформаційні сигнали з виходів вимірювача зарядної напруги 14 та вимірювача зарядного струму 15 підключені до першого Ж та другого Д входів блок-контролера 11 (Фіг. 1.), на перший Д та другий Ε входи якого підключені інформаційні виходи блока заряду конденсаторів 2. Вихід блок-контролера 11 (Фіг. 1.) підключений до входу Л керованого регулятора зарядного струму (перетворювач DC-I) 13. Опис роботи пристрою для формування різнополярних зварювальних імпульсів струму, що заявляється. У корисній моделі, що заявляється, процес перетворення змінної напруги промислової частоти в різнополярні зварювальні імпульси струму відбувається наступним чином. Змінна напруга 220 В 50 Гц випрямляється перетворювачем AC-DC (випрямлячем) 12, енергія якого, через керований регулятор зарядного струму (перетворювач DC-I) 13, накопичується батарею конденсаторів 1. Струм заряду та напруга на клемах батареї конденсаторів 1 встановлюється та підтримується на встановленому рівні блок-контролером 11. Перетворення змінної напруги промислової частоти в різнополярні зварювальні імпульси струму починається з включенням блока керування 7, який генерує імпульси керування необхідної частоти, які періодично по-черзі попарно замикають та розмикають ключі 3, 4, 5, 6. При замкнених першому 3 та четвертому 6 ключах, другий 1 та третій 5 ключі при цьому розімкнуті, струм з позитивної клеми батареї конденсаторів 1 проходить через навантаження 9 в "прямому" напрямку. При замкнутих другому 4 та третьому 5 ключах, перший 3 та четвертий 6 ключі при цьому розімкнені, струм з негативної клеми батареї конденсаторів 1 проходить через навантаження 9 в "зворотному" напрямку. Таким чином в навантаженні 9 формуються знакозмінні зварювальні імпульси струму з частотою, яку задає блок керування 7. При цьому величина напруги на клемах А-Б навантаження 9 та величина струму, що протікає через навантаження 9, вимірюється вимірювачами струму 8 та напруги 10 навантаження 9. Інформаційні сигнали з виходів вимірювачів струму 8 та напруги 10 приходять через третій В та четвертий Г входи до блокаконтролера 11, в якому відбувається поточне обчислення опору зовнішнього навантаження, порівняння його величини з внутрішнім опором блока заряду 2 та формування сигналу, який змінює режим заряду батареї конденсаторів 1 таким чином, при якому внутрішній опір блока заряду 2 завжди менше від опору зовнішнього навантаження 9 (більш детально див. патент України UA № 98051, опубл. 10.04.2015, бюл. № 7. Коротинський О.Є., Скопюк М.І., Драченко М.П., Шапка В.О. "Спосіб електроімпульсного дугового зварювання з високоточним дозуванням потужності дуги"). Таким чином, введення як джерело постійного струму, батареї конденсаторів електрофізичних накопичувачів енергії, блока заряду конденсаторів, який містить засоби, які заряджають батарею конденсаторів та датчики, які вимірюють величини зарядного струму та 3 UA 103893 U 5 10 напруги; вимірювача струму навантаження, який включений послідовно з дуговим навантаженням; вимірювача напруги на клемах навантаження, який включений паралельно дуговому навантаженні; блока-контролера величини внутрішнього опору блока заряду та величини опору зовнішнього навантаження розширює функціональні можливості та зменшує маси та габаритні розміри пристрою, причому дозволяє формувати різнополярні зварювальні імпульси струму як високих, так і низьких частот. Відсутність магнітних та моточних складових в конструкції пристрою дозволяє знизити матеріалоємність та собівартість пристрою при його промисловому виробництві, а також підвищує надійність роботи ключів. Крім цього, підвищення надійності досягається також завдяки введенню контролера величин внутрішнього опору блока заряду та опору зовнішнього навантаження, який задає такий режим заряду батареї конденсаторів, при якому внутрішній опір блока заряду завжди менше від опору зовнішнього навантаження. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 Пристрій для формування різнополярних зварювальних імпульсів струму, що містить чотири ключі, силові входи двох із них підключені до позитивної клеми джерела постійного струму, а два інших - до негативної клеми того ж джерела, блок керування, перший вихід якого підключений до керуючого входу першого та третього ключів, а другий вихід - до керуючого входу другого та четвертого ключів, причому силові виходи першого та третього ключів підключені до першої клеми дугового навантаження, а силові виходи другого та четвертого ключів підключені до другої клеми дугового навантаження, який відрізняється тим, що введені, як джерела постійного струму, батарея конденсаторів - електрофізичних накопичувачів енергії, блок заряду конденсаторів, який містить засоби, які заряджають батарею конденсаторів, та датчики, які вимірюють величини зарядного струму та напруги; вимірювач струму навантаження, який включений послідовно з дуговим навантаженням; вимірювач напруги на клемах навантаження, який включений паралельно дуговому навантаженню; блок-контролер величини внутрішнього опору блока заряду та величини опору зовнішнього навантаження. 4 UA 103893 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль 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 5