Территория прогрессивных инноваций Территория прогрессивных инноваций Гнездо
   ГЛАВНАЯ  |  ИСТОРИЯ  |  НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ  |  ПАТЕНТЫ  |  PATENTS  |  ВОИР  |  КОНТАКТЫ   

Инверторная сварка с изолированной нагрузкой

Автор: Тышкевич Е.В. (Патент RU 2367545)

Объект изучения относится к электронной импульсной технике и может быть использован в строительстве, производстве и быту в качестве источника питания инверторного типа, предназначенного для дуговой и контактной электросварки постоянным током различных изделий.

Одной из основных проблем инверторных источников питания является возникновение высокочастотных паразитных колебаний (звона) в обмотках сварочного трансформатора при использовании широтно-импульсного регулирования выходной мощности устройства. Эти колебания появляются в тот момент, когда транзисторные коммутаторы (электронные ключи) инвертора закрыты, и первичная обмотка сварочного трансформатора оказывается отключенной на некоторое время от источника питания. В результате происходит дополнительный нагрев сварочного трансформатора, выпрямителя и транзисторных коммутаторов, что приводит к понижению КПД и надежности устройства. При изменении скважности управляющего сигнала в сторону увеличения уровень пульсаций выходного (сварочного) тока также увеличивается, причем возникает вероятность исчезновения электрической дуги в режиме малых токов.

Другим недостатком является использование транзисторных ключей в силовых цепях вторичных обмоток сварочного трансформатора, ток которых может достигать нескольких сотен ампер. Данное обстоятельство ограничивает частотный диапазон сварочного источника, увеличивает его габариты и массу, снижает стабильность рабочих характеристик, а также ограничивает выходной ток.

Функциональная схема инверторной сварки с изолированной нагрузкой.

Избавиться от многих проблем позволяет инверторный источник питания для электросварки, изображенной на рисунке. Эпюры напряжений и токов поясняют работу функциональной схемы.

Инверторный источник содержит тактовый генератор 1, двухполярный источник питания 2, первый 3, второй 4, третий 7 и четвертый 8 электронные ключи, первый 5 и второй 6 накопительные конденсаторы, сварочный трансформатор 9, выпрямитель 10 и сглаживающий дроссель 11. Сварочный электрод 12 подключен к выходу сглаживающего дросселя 11, а свариваемая конструкция 13 соединена с общим выводом вторичных обмоток сварочного трансформатора 9.

Принцип работы инверторной сварки с изолированной нагрузкой.

Генератор 1 вырабатывает опорные импульсы, управляющие работой устройства. С прямого выхода генератора 1 (эпюра а) импульсы напряжения поступают на управляющие входы первого 3 и четвертого 8 электронных ключей. С инверсного выхода (эпюра b) – на управляющие входы второго 4 и третьего 7 электронных ключей. Если на управляющем входе электронного ключа присутствует низкий уровень напряжения, то он находится в закрытом состоянии. Когда на управляющем входе электронного ключа появляется высокий уровень напряжения, то он открывается, замыкая цепь между входом и выходом. Таким образом, коммутация электронных ключей 3, 4, 7, 8 происходит с частотой тактового генератора 1 попарно: если ключи 3, 8 открыты, то ключи 4, 7 закрыты и наоборот.

Устройство получает питание от симметричного двухполярного источника 2, который вырабатывает одинаковое напряжение противоположенной полярности относительно общего вывода. Плюсовой вывод источника 2 соединен с входом первого ключа 3, минусовой вывод источника 2 подключен к входу второго ключа 4. Общий вывод источника 2 соединен со вторыми выводами конденсаторов 5, 6 и вторым выводом первичной обмотки трансформатора 9. Первый вывод накопительного конденсатора 5 включен в цепь между выходом и входом ключей 3 и 7. Аналогично включен конденсатор 6 в цепь между выходом и входом ключей 4 и 8. Первый вывод первичной обмотки трансформатора 9 соединен с обоими выходами ключей 7, 8.

Сварочный трансформатор 9 содержит две вторичные обмотки, имеющие общий (средний) вывод, которые вместе с выпрямителем 10 образуют двухполупериодную схему. Досель 11 представляет собой индуктивный сглаживающий фильтр, уменьшающий пульсации сварочного тока.

В течение первого полупериода времени (t0…t1) работы тактового генератора 1 (эпюры а, b) ключи 3 и 8 открыты, а ключи 4 и 7 закрыты. Накопительный конденсатор 5 заряжается от плюсового источника питания 2 до максимального напряжения (эпюра с). Конденсатор 6 имеет нулевой потенциал (эпюра d), поскольку ключ 4 закрыт. Напряжение на первичной обмотке сварочного трансформатора также равно нулю (эпюра е), сварочный ток отсутствует (эпюра f).

В начале второго полупериода (t1…t2) ключи 3 и 8 закрываются, а ключи 4 и 7 открываются. Первичная обмотка трансформатора 9 подключается к накопительному конденсатору 5, который начинает разряжаться через открытый ключ 7 (эпюра с), в результате чего на первичной обмотке трансформатора 9 образуется электрический сигнал положительной полярности (эпюра е), вызывающий появление сварочного тока (эпюра f) между электродом 12 и конструкцией 13. В это же время конденсатор 6 заряжается от минусового источника питания 2 до максимального напряжения через открытый ключ 4 (эпюра d).

На отрезке времени t2…t3 ключи 4 и 7 закрыты, а ключи 3 и 8 открыты. Накопительный конденсатор 5 от источника 2 подзаряжается до своего максимального значения (эпюра с), а первичная обмотка трансформатора 9 подключается к конденсатору 6, заряженному отрицательно (эпюра d), который отдает накопленную энергию трансформатору 9 через открытый ключ 8 (эпюра е), поддерживая ток силовой цепи (эпюра f). Наличие выпрямителя 10 обеспечивает неизменность направления сварочного тока, величина пульсаций которого сглаживаются дросселем 11. Дальнейшая работа схемы аналогична вышеприведенному описанию.

Отличительные особенности инверторной сварки с изолированной нагрузкой.

Основным достоинством предлагаемого устройства является то, что источник питания 2 изолирован от нагрузки сварочного трансформатора 9. Электрическая энергия от источника 2 передается к трансформатору 9 в два этапа: сначала заряжаются накопительные конденсаторы 5 или 6 через открытые ключи 3 или 4, затем они отдают свою энергию в первичную обмотку трансформатора 9 через открытые ключи 7 или 8, при этом источник 2 полностью развязан от работающего инвертора. Данное обстоятельство определяет высокую надежность и безопасность в работе всей конструкции.

Другим преимуществом является то, что электрическая энергия, поступающая в инвертор, строго ограничена емкостью конденсаторов 5 и 6, следовательно, величину сварочного тока можно регулировать, изменяя их номиналы. При возникновении перегрузок или во время переходных процессов максимальная величина сквозных или ударных токов, возникающих в силовых цепях, также ограничивается значениями емкостей накопительных конденсаторов 5 и 6.

Приведенная конструкция сохраняет работоспособность как в режиме широтно-импульсного регулирования выходной мощностью, так и без него, обеспечивая надежную работу инверторного преобразователя в диапазоне частот от 20кГц до 130кГц, при этом максимальный сварочный ток может достигать 400А и более, а минимальный стабильно-устойчивый ток – 8…12А.

Инверторный источник питания для электросварки обладает высокой стабильностью рабочих характеристик, его конструктивные возможности позволяют изготавливать как мощные высокопроизводительные установки, так и малогабаритные переносные устройства, обладающие небольшими габаритами и массой.

Устройство имеет высокий КПД, широкий диапазон использования, высокую надежность и большой срок эксплуатации.

на Главную
 
mailto: info@kosmin.ru