Пристрій для живлення системи автоматичного зварювання неплавлячим електродом

Реферат: Пристрій для живлення системи автоматичного зварювання неплавлячим електродом містить силовий випрямляч, імпульсний послідовний стабілізатор понижуючого типу, який складається з силового ключа, зворотного (розрядного) діода, індуктивного накопичувача (елемента або дроселя) та датчика зварювального струму. Додатково має другий імпульсний послідовний стабілізатор понижуючого типу, який складається з другого силового ключа, другого зворотного (розрядного) діода, другого індуктивного накопичувача (елемента або дроселя) та другого датчика зварювального струму. Вхід другого датчика зварювального струму під'єднаний до першого виходу силового випрямляча, вихід - до першої вихідної клеми джерела живлення дуги. Інформаційний сигнал другого датчика зварювального струму підключений до другого входу зворотного зв'язку за величиною струму схеми керування. Інверсний вихід схеми керування підключений до входу керування другого силового ключа. Один з виводів другого зворотного діода (другий вхід/вихід стабілізатора) підключений до другої вихідної клеми джерела живлення дуги. UA 97784 U (12) UA 97784 U UA 97784 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі електротехнології, а саме - до пристроїв, які використовуються при зварюванні та наплавленні металів в автоматичному режимі для різноманітних потреб, зокрема в атомному та теплоенергетичному машинобудуванні, для орбітальних комплексів автоматичного зварювання неповоротних стиків трубопроводів атомних та теплових електростанцій. Сучасний рівень розвитку пристроїв автоматичного зварювання потребує створення джерел живлення характерною ознакою яких є забезпечення високої якості виконання зварних з'єднань при мінімальних масових та габаритних параметрах. Один з напрямків вирішення задачі стабілізації величини зварювального струму полягає в використанні стабілізаторів понижуючого типу, в яких постійна напруга з виходу силового випрямляча перетворюється в зварювальний струм за допомогою силових електронних переключаючих елементів. Відомий аналог є імпульсний послідовний стабілізатор понижуючого типу, який стабілізує вихідний струм або напругу до складу яких входять силовий електронний ключ, зворотний (розрядний) діод, індуктивний накопичувач (елемент), ємнісний накопичувач (конденсатор), датчик струму або напруги та схема керування, причому інформаційний вихід датчика напруги (струму) під'єднано до входу зворотного зв'язку схеми керування, а вихід схеми керування під'єднано до входу керування силового ключа. Схема керування, в найпростійшому прикладі, складається з генератора тактових імпульсів, R-S тригера, схеми порівняння, пристрою встановлення рівня вихідної величини, підсилювача похибки та генератора пилоподібної напруги, причому вихід генератора тактових імпульсів підключено до одного з входів R-S тригера, до другого входу якого підключений вихід схеми порівняння, на перший вхід якої підключений вихід генератора пилоподібної напруги, а на другий - інформаційний сигнал з виходу підсилювача похибки, на перший вхід якого приходить сигнал з входу зворотного зв'язку схеми керування, а на другий - сигнал пристрою встановлення рівня вихідної величини. [Геннадий Белов, Андрей Малышев, Сергей Белов. Система управления многофазным понижающим импульсным преобразователем. Силовая Электроника, 2011 - № 3. - С. 49-54.; Суреш Харихаран. Формирователь ШИМ-тока с постоянным размахом для питания светодиодов. Chip News Украина. - Июнь, 2008. - № 5 (75)]. Робочий цикл імпульсного стабілізатора відбувається в періодичному режимі. Кожний період роботи стабілізатора складається з двох фаз: фази накачки енергії та фази розряду на елемент навантаження. Фаза накачки енергії реалізується протягом тривалості замкнутого стану ключа. Струм від джерела живлення постійної напруги проходить по колу: замкнутий ключ, індуктивний накопичувач (елемент) та елемент навантаження, причому енергія джерела живлення накопичується як в індуктивному накопичувачі (елементі) так і в ємнісному накопичувачі (конденсаторі). При розриві кола заряду (розімкнення ключа стабілізатора) струм в елементі навантаження підтримується за рахунок самоіндукції в індуктивному накопичувачі (елементі) та розряду ємнісного накопичувача (конденсатора) як по колу: індуктивний накопичувач (елемент), зворотний (розрядний) діод та елемент навантаження, так і по колу: ємнісний накопичувач (конденсатор) та елемент навантаження. Так, як джерело живлення в фазі розряду відключено,то накопичена енергія поступово зменшується і величина струму в елементі навантаження спадає, наближаючись до нуля. Тому фазу розряду переривають і знову починають фазу заряду. Регулювання величини струму в межах даної схеми здійснюється шляхом зміни тривалості відкритого стану ключа без зміни частоти імпульсної модуляції. Недоліком аналога є або збільшення амплітуди пульсацій в елементі навантаження, або зниження надійності роботи пристрою. Причина вищевказаних недоліків полягає в тому, що забезпечення неперервності струму та напруги на виході пристрою-аналога досягається при строго визначеному співвідношенні між тривалістю часу відкритого стану ключа, частотою імпульсної модуляції, тривалістю часу закритого стану ключа, величиною індуктивності накопичувача (дроселя) та величиною опору елемента навантаження. Порушення цього співвідношення спричиняє або збільшення амплітуди пульсацій в елементі навантаження аж до переходу роботи схеми в пульсуючий режим, або до підвищення напруги на електродах ключа і вихід останнього з ладу (зниження надійності роботи пристрою). Найближчий аналог до корисної моделі є джерело живлення дуги, до складу якого входять силовий випрямляч, первинне коло якого під'єднане до мережі живлення промислової частоти і, під'єднаний до одного з його виходів, імпульсний послідовний стабілізатор понижуючого типу, причому вихід силового ключа стабілізатора під'єднано до однієї з вихідних клем джерела живлення дуги через індуктивний накопичувач та датчик зварювального струму, інформаційний вихід датчика зварювального струму під'єднано до входу зворотного зв'язку схеми керування за величиною струму, вихід схеми керування під'єднано до входу керування силового ключа, а до 1 UA 97784 U 5 10 15 20 25 30 другої вихідної клеми джерела живлення дуги під'єднані один з виводів зворотного діода (спільний провід стабілізатора) та другий вихід випрямляча. Схема керування, в найпростійшому прикладі, складається з генератора тактових імпульсів, R-S тригера, схеми порівняння, пристрою встановлення рівня вихідного струму, підсилювача похибки та генератора пилоподібної напруги, причому вихід генератора тактових імпульсів підключено до одного з входів R-S тригера, до другого входу якого підключений вихід схеми порівняння, на перший вхід якої підключений вихід генератора пилоподібної напруги, а на другий - інформаційний сигнал з виходу підсилювача похибки, на перший вхід якого приходить сигнал з входу зворотного зв'язку схеми керування, а на другий - сигнал пристрою встановлення рівня вихідного струму [Патон Б.Є., Коротинський О.Є., Скопюк М.І., Махлін Н.М., Буряк В.Ю., Драченко М.П., Ющенко К.А., Яровіцин О.В. Джерело живлення дуги з багатоканальним виходом та розширеним діапазоном регулювання зварювального струму. Патент UA № 93762 МПК 7 В23К 9/06, 9/10 Бюл. № 5, 2011 р.]. В цьому джерелі зварювального струму напруга мережі живлення промислової частоти з початку перетворюється в постійну напругу, яка живить імпульсний послідовний стабілізатор понижуючого типу. Вихідний струм стабілізатора, проходячи через індуктивний накопичувач (дросель) та датчик зварювального струму, викликає появу інформаційного сигналу на виході датчика, величина якого визначає, в кожному періоді роботи імпульсного стабілізатора, тривалість часу, протягом якого силовий ключ стабілізатора знаходиться в стані провідності, тобто виконується регулювання величини струму імпульсною модуляцією відносно тривалості відкритого стану ключа, що має назву "широтно-імпульсна модуляція (ШІМ)». Недоліком найближчого аналога є або погіршення якості зварювання при пониженні величини зварювального струму, або невиправдане збільшення геометричних розмірів та ваги індуктивного накопичувача (дроселя) і пристрою в цілому та зниження надійності роботи пристрою. Причина вищевказаних недоліків полягає в тому, що забезпечення неперервності струму при постійній величині напруги горіння дуги на виході пристрою-прототипу та при відсутності ємнісного накопичувача, включеного паралельно вихідним клемам пристрою, досягається при строго визначеному співвідношенні між тривалістю часу відкритого стану ключа t з , частотою імпульсної модуляції f  індуктивності 1 , де t р - тривалість часу закритого стану ключа, величиною tз  tр L накопичувача (дроселя) та величиною зварювального струму Iсварки . 2Iсварки fL  U дуги 1  t з f  . 35 40 45 50 55 В результаті, при зменшенні часу, протягом якого силовий ключ стабілізатора знаходиться в стані провідності (зменшення зварювального струму), та без збільшення індуктивності і накопичувача (дроселя) зварювальний струм може стати пульсуючим, що приведе до появи дефектів при зварюванні (погіршення якості зварювання). Спроба подолання цього недоліку в межах пристрою-прототипу шляхом збільшення індуктивності накопичувача приводить до збільшення як його геометричних розмірів та ваги так і пристрою в цілому. Більше того, при перемиканні ключа може скластися ситуація, при якій в моменти перемикання струм в індуктивному накопичувачі не дорівнює нулю, що, в свою чергу, викликає підвищення напруги на електродах ключа і може спричинити вихід останнього з ладу (зниження надійності роботи пристрою). В основу корисної моделі поставлена задача підвищення якості зварювання, зменшення геометричних розмірів та ваги індуктивного накопичувача та пристрою в цілому та підвищення надійності роботи пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій містить силовий випрямляч, первинне коло якого під'єднане до мережі живлення промислової частоти, імпульсний послідовний стабілізатор понижуючого типу, який складається з силового ключа, зворотного (розрядного) діода, індуктивного накопичувача (елемента або дроселя) та датчика зварювального струму, вхід якого під'єднаний до першого виходу силового випрямляча, вихід - до першої вихідної клеми джерела живлення дуги та схеми керування, на перший вхід зворотного зв'язку, за величиною струму якої приходить інформаційний сигнал датчика зварювального струму, прямий вихід схеми керування під'єднано до входу керування силового ключа, а до другої вихідної клеми джерела живлення дуги під'єднані один з виводів зворотного діода (другий вхід/вихід стабілізатора) та другий вихід силового випрямляча, згідно з корисною моделлю, додатково включає другий імпульсний послідовний стабілізатор понижуючого типу, який складається з другого силового ключа, другого зворотного (розрядного) діода, другого 2 UA 97784 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 індуктивного накопичувача (елемента або дроселя) та другого датчика зварювального струму причому його вхід під'єднаний до першого виходу силового випрямляча, вихід - до першої вихідної клеми джерела живлення дуги, інформаційний сигнал другого датчика зварювального струму підключений до другого входу зворотного зв'язку за величиною струму схеми керування, інверсний вихід схеми керування підключений до входу керування другого силового ключа, а один з виводів другого зворотного діода (другий вхід/вихід стабілізатора) підключений до другої вихідної клеми джерела живлення дуги. Ознаки, що відрізняють корисну модель від ознак аналога, обумовлюють вказаний вище технічний результат, який досягається в процесі експлуатації цього джерела, а саме оснащення пристрою двома імпульсними стабілізаторами понижуючого типу дозволяє здійснити: - вибір режиму роботи пристрою на границі між пульсуючим та неперервним характером зварювального струму, що дозволяє у строгій відповідності з співвідношенням 2Iсварки fL  0,5U дуги оптимізувати геометричні розміри та вагу індуктивного накопичувача та пристрою в цілому; - стабілізацію середнього значення зварювального струму шляхом контролю амплітудного значення струму кожного з ключів, що підвищує якість зварювання; - комутацію силових ключів імпульсних стабілізаторів при нульовій напрузі на електродах ключа, зменшуючи, тим самим, динамічні втрати та величину комутаційних перешкод, що підвищує надійність роботи пристрою. Таким чином, оснащення пристрою другим імпульсним послідовним стабілізатором постійного струму та розширення функцій системи керування, дозволяє оптимізувати геометричні розміри та вагу індуктивного накопичувача та пристрою в цілому, підвищити якість зварювання та надійність роботи пристрою. Корисна модель пояснюється кресленнями: - на фіг. 1 зображена функціональна схема заявленого пристрою; - на фіг. 2 зображені фрагменти амплітудно-часових співвідношень, що відображають зміни в електричних параметрах елементів пристрою в процесі його функціонування, а саме: а) характер сигналу на "інверсному" виході системи керування 12; б) характер зміни амплітуди струму на виході першого імпульсного стабілізатора; в) характер зміни амплітуди струму на виході другого імпульсного стабілізатора; г)) характер зміни амплітуди струму на виході пристрою. Суцільною лінією передані амплітудно-часові співвідношення, що відображають зміни в електричних параметрах елементів пристрою при максимальному зварювальному струмі, пунктирною лінією - при мінімальному зварювальному струмі. Пристрій для живлення системи автоматичного зварювання неплавлячим електродом (фіг. 1) складається: з силового випрямляча 1; першого імпульсного послідовного стабілізатора постійного струму 2, до складу якого входять напівпровідниковий ключ 3, зворотний діод 4, індуктивний накопичувач 5 та датчик струму 6; другого понижуючого перетворювача постійного струму 7, який ідентичний першому, до складу якого входять напівпровідниковий ключ 8, зворотний діод 9, індуктивний накопичувач 10 та датчик струму 11; система керування 12, яка, як приклад, в даному випадку, складається з R-S тригера 13, двох схем порівняння 14 та 15 і пристрою встановлення рівня вихідного струму 16. Перший вихід силового випрямляча 1, первинне коло якого під'єднано до мережі змінного струму промислової частоти, під'єднано до силового входу першого 2 та другого 7 понижуючих перетворювачів а його другий вихід є однією з вихідних клем пристрою, до якої під'єднані катоди зворотних діодів 4 та 9 і, до якого підключається один з електродів зварювального проміжку 17. Силові виходи першого 2 та другого 7 понижуючих перетворювачів об'єднані разом з другою вихідною клемою пристрою, до якої підключається другий електрод зварювального проміжку 17. Інформаційні виходи датчиків струму 6 та 11 під'єднано до входів схем порівняння 14 та 15 системи керування 12, а виходи R-S тригера 13 - до входів керування ключами 3 та 8 першого 2 та другого 7 понижуючих перетворювачів відповідно. Корисна модель працює наступним чином. Напруга мережі змінного струму промислової частоти випрямляється силовим випрямлячем 1 і з його виходу надходить до силових входів першого 2 та другого 7 понижуючих перетворювачів. Припустимо, що R-S тригер 13 системи керування 12 знаходиться в "S" стані (див. фіг. 2а).). В цьому випадку на прямому виході тригера 13 встановлено рівень "одиниці" і ключ 3 першого понижуючого перетворювача 2 знаходиться в стані провідності. При наявності на вихідних клемах навантаження (її функцію виконує дуга в зварювальному проміжку 17) через індуктивний накопичувач 5 та датчик струму 6 протікає, наростаючий в часі, струм першого понижуючого перетворювача 2 (див. фіг. 2б).). При цьому сигнал, пропорційний величині 3 UA 97784 U 5 10 15 20 25 30 струму, з інформаційного виходу датчика струму 6 надходить до схеми порівняння 14 системи керування 12. Як тільки рівень інформаційного виходу датчика струму 6 досягає рівня, який встановлено пристроєм для встановлення рівня вихідного струму 16, схема порівняння 14 формує сигнал, який переключає R-S тригер 13 системи керування 12 в "R" стан. При цьому ключ 3 першого понижуючого перетворювача 2 переходить в стан непровідності, а ключ 8 другого понижуючого перетворювача 7 - в стан провідності. Енергія, яка була накопичена індуктивним накопичувачем 5, підтримує струм понижуючого перетворювача 2 по колу: індуктивний накопичувач 5, датчик струму 6, зварювальний проміжок 17 та зворотний діод 4. Оскільки ключ 8 другого понижуючого перетворювача 7 знаходиться в стані провідності, то через індуктивний накопичувач 10 та датчик струму 11 протікає, наростаючий в часі, струм другого понижуючого перетворювача 7 (див. фіг. 2в).). При цьому сигнал, пропорційний величині струму другого понижуючого перетворювача 7, з інформаційного виходу датчика струму 11 надходить до схеми порівняння 15 системи керування 12. Як тільки рівень інформаційного виходу датчика струму 11 досягає рівня, який встановлено пристроєм для встановлення рівня вихідного струму 16, схема порівняння 15 формує сигнал, який переключає R-S тригер 13 системи керування 12 в "S" стан. При цьому ключ 8 другого понижуючого перетворювача 7 переходить в стан непровідності, а ключ 2 першого понижуючого перетворювача 2 відповідно в стан провідності. Енергія, яка була накопичена індуктивним накопичувачем 10, підтримує струм другого понижуючого перетворювача 7 по колу: індуктивний накопичувач 10, датчик струму 11, зварювальний проміжок 17 та, зворотний діод 9. Далі процеси в схемі повторюються. В результаті струми першого 2 та другого 7 понижуючих перетворювачів підсумовуються в зварювальному проміжку 17 і сумарний зварювальний струм дуги змінюється в часі так, як це показано на фіг. 2г). Таким чином, корисна модель, незалежно від величини зварювального струму, по-перше, забезпечує рівність часу заряду і часу розряду в межах одного періоду імпульсної стабілізації, що дозволяє, у строгій відповідності з співвідношенням 2Iссварк max fL  0,5U дуги , оптимізувати геометричні розміри та вагу індуктивного накопичувача та пристрою в цілому. Подруге, забезпечує, незалежно від величини зварювального струму, середнє значення зварювального струму з постійним коефіцієнтом пульсацій, що забезпечує високу якість зварювання. По-третє, комутація силових ключів імпульсних стабілізаторів завжди відбувається в моменти, при яких напруга на електродах ключа близька до нульової, що зменшує динамічні втрати та величини комутаційних перешкод і, як наслідок, підвищує надійність роботи пристрою. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 Пристрій для живлення системи автоматичного зварювання неплавлячим електродом, що містить силовий випрямляч, первинне коло якого під'єднане до мережі живлення промислової частоти, імпульсний послідовний стабілізатор понижуючого типу, який складається з силового ключа, зворотного (розрядного) діода, індуктивного накопичувача (елемента або дроселя) та датчика зварювального струму, вхід якого під'єднаний до першого виходу силового випрямляча, вихід - до першої вихідної клеми джерела живлення дуги та схеми керування, на перший вхід зворотного зв'язку, за величиною струму якої приходить інформаційний сигнал датчика зварювального струму, прямий вихід схеми керування під'єднано до входу керування силового ключа, а до другої вихідної клеми джерела живлення дуги під'єднані один з виводів зворотного діода (другий вхід/вихід стабілізатора) та другий вихід силового випрямляча, який відрізняється тим, що додатково включає другий імпульсний послідовний стабілізатор понижуючого типу, який складається з другого силового ключа, другого зворотного (розрядного) діода, другого індуктивного накопичувача (елемента або дроселя) та другого датчика зварювального струму причому його вхід під'єднаний до першого виходу силового випрямляча, вихід - до першої вихідної клеми джерела живлення дуги, інформаційний сигнал другого датчика зварювального струму підключений до другого входу зворотного зв'язку за величиною струму схеми керування, інверсний вихід схеми керування підключений до входу керування другого силового ключа, а один з виводів другого зворотного діода (другий вхід/вихід стабілізатора) підключений до другої вихідної клеми джерела живлення дуги. 4 UA 97784 U 5 UA 97784 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6