Бестрансформаторная электросварка

Автор: Тышкевич Е.В. (Патент RU 2371287)

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

Несмотря на повсеместное использование сварочных установок, как обычных, так и высокочастотных, в состав которых входит сварочный трансформатор, они имеют определенные недостатки, связанные с работой реактивного элемента в режиме короткого замыкания.

Основным недостатком является возникновение высокочастотных паразитных колебаний в обмотках сварочного трансформатора при использовании широтно-импульсного регулирования выходной мощности сварочного аппарата. Эти колебания появляются в тот момент, когда транзисторы (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 снижению 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.

Функциональная схема бестрансформаторной электросварки.

Бестрансформаторный источник питания для электросварки, лишенный вышеперечисленных недостатков, представлен на Фиг.1.

Бестрансформаторный источник питания для электросварки содержит блок питания 1, трехфазный кольцевой тактовый генератор 2, девять (первый 3, второй 5, третий 8, четвертый 9, пятый 11, шестой 14, седьмой 18, восьмой 20, девятый 24) электронных ключей, шесть (первый 4, второй 7, третий 10, четвертый 13, пятый 19, шестой 22) накопительных конденсаторов, три (первый 6, второй 12, третий 21) компаратора, задатчик напряжения 23, защитный диод 25 и сглаживающий дроссель 15, выходом подключенный к сварочному электроду 16. Свариваемая конструкция обозначена позицией 17.

На Фиг.2 в упрощенном виде показаны эпюры напряжений и токов, поясняющие работу функциональной схемы, без учета коммутационных выбросов и переходных процессов.

Описание работы бестрансформаторного источника питания для электросварки.

Тактовый генератор 2 вырабатывает управляющие опорные импульсы. Он работает по принципу кольцевого счетчика и имеет три выхода, к которым подключены управляющие входы электронных ключей 3, 5, 8, 9, 11, 14, 18, 20, 24. Если на одном из выходов генератора 2 присутствует высокий уровень напряжения, то на двух других его выходах напряжение равно нулю (эпюры а1, b1, с1).

Первый выход генератора 2 (а1) соединен с управляющими входами первого 3, шестого 14 и восьмого 20 электронных ключей. Второй выход генератора 2 (b1) подключен к управляющим входам второго 5, четвертого 9 и девятого 24 ключей. Третий выход генератора 2 (с1) соединен с управляющими входами третьего 8, пятого 11 и седьмого 18 ключей. Второй 5, пятый 11 и восьмой 20 ключи имеют два равноценных управляющих входа, если на любом из них присутствует низкий уровень напряжения, то ключ находится в закрытом состоянии. Когда на управляющем входе электронного ключа появляется высокий уровень напряжения, то он открывается, замыкая цепь между входом и выходом. Ключи 5, 11, 20 переходят в открытое состояние, если на обоих управляющих входах присутствует высокий уровень напряжения, по принципу логического умножения.

Устройство получает энергию от блока питания 1, который вырабатывает постоянное напряжение u1, поступающее на входы ключей 3, 9, 18. Первый вывод накопительного конденсатора 4 включен в цепь (а2) между выходом и входом ключей 3 и 5. Аналогично включен конденсатор 7 в цепь (а3) между выходом и входом ключей 5 и 8. Конденсаторы 10, 13 и 19, 22 подключены подобно конденсаторам 4, 7 в соответствующие цепи (b2, b3, c2, c3). Вторые выводы конденсаторов 4, 7, 10, 13, 19, 22, блока питания 1, задатчика напряжения 23 и защитного диода 25 соединены общей шиной, к которой подключена свариваемая конструкция 17.

Контроль напряжения на конденсаторах 7, 13, 22 осуществляется с помощью компараторов 6, 12, 21, первые входы которых соединены с первыми выводами конденсаторов 7, 13, 22, а вторые входы подключены к задатчику напряжения 23. Когда потенциал на любом из конденсаторов 7, 13, 22 достигает напряжения u2 задатчика 23, то на выходе компараторов 6, 12, 21 устанавливается низкий уровень напряжения, переводящий соответствующие ключи 5, 11, 20 в закрытое состояние.

Досель 15 представляет собой индуктивный сглаживающий фильтр, уменьшающий пульсации сварочного тока. Защитный диод 25 предупреждает опрокидывание фазы выходного напряжения во время коммутации ключей 8, 14, 24, фиксируя потенциал на входе дросселя 15 относительно общей шины.

В течение первого такта t0…t1 работы генератора 1 (эпюры а1, b1, с1) ключи 3, 14, 20 открыты, а ключи 5, 8, 9, 11, 18, 24 закрыты. Накопительный конденсатор 4 заряжается от блока питания 1 до максимального напряжения u1 (эпюра а2). Конденсаторы 10 и 19 имеют нулевой потенциал (эпюры b2, с2), поскольку ключи 9 и 18 закрыты. Напряжение на выходе ключей 8, 14, 24 также равно нулю, сварочный ток отсутствует (эпюра d).

Во время второго такта t1…t2 ключи 5, 9, 24 открыты, а ключи 3, 8, 11, 14, 18, 20 закрыты. Конденсатор 7 через открытый ключ 5 заряжается емкостным током от конденсатора 4 до напряжения u2 задатчика 23 (эпюра а3), поскольку в начале второго такта на выходе компаратора 6 присутствует сигнал высокого уровня. Как только напряжение на конденсаторе 7 становится равным напряжению u2 задатчика 23, на выходе компаратора 6 появляется нулевой потенциал, который переводит ключ 5 в закрытое состояние, заряд конденсатора 7 прекращается. В это же время накопительный конденсатор 10 через открытый ключ 9 заряжается от блока питания 1 до максимального напряжения u1 (эпюра b2). Конденсатор 19 имеет нулевой потенциал (эпюра с2), поскольку ключ 18 закрыт. Напряжение на выходе ключей 8, 14, 24 также равно нулю, сварочный ток отсутствует (эпюра d).

В течение третьего такта t2…t3 ключи 8, 11, 18 открыты, а ключи 3, 5, 9, 14, 20, 24 закрыты. Дроссель 15 подключается к конденсатору 7, который начинает разряжаться через открытый ключ 8 (эпюра а3), в результате чего в обмотке дросселя 15 образуется электрический сигнал, вызывающий появление сварочного тока (эпюра d) между электродом 16 и конструкцией 17. В это же время конденсатор 13 через открытый ключ 11 заряжается от конденсатора 10 до напряжения u2 (эпюра b3), а конденсатор 19 через открытый ключ 18 заряжается от блока питания 1 до напряжения u1 (эпюра с2).

На отрезке времени t4…t5 сварочный ток (эпюра d) поддерживается конденсатором 22 через открытый ключ 24. Дальнейшая работа схемы аналогична вышеприведенному описанию.

Наличие дросселя 15 обеспечивает эффективное сглаживание пульсаций сварочного тока. Минимальный уровень пульсаций обеспечивается при условии равенства значений емкостей конденсаторов:
С4 = С10 = С19 и С7 = С13 = С22, где число, стоящее рядом с условным обозначением емкости, соответствует позиции элемента на Фиг.1.

Бестрансформаторная электросварка работает по принципу емкостного трансформатора напряжения, в котором высокое постоянное напряжение 300…550В преобразуется в низкое напряжение сварочного источника 40…130В, обеспечивающее автономное зажигание электрической дуги и оптимальный сварочный ток, величина которого зависит от значений емкостей конденсаторов 4, 7, 10, 13, 19, 22 и напряжения задатчика 23.

Соотношение накопительных емкостей каждой ветви С4/С7, С10/С13, С19/С22 при условии полного разряда конденсаторов 7, 13, 22 в режиме сварки зависит от величины напряжений u1 и u2, и определяется следующим образом:
Q = Q4 + Q7 ; где
Q – полный заряд конденсатора 4 (10 или 19) при напряжении u1
Q4 – остаточный заряд конденсатора 4 (10 или 19) при открытом ключе 5
Q7 – заряд конденсатора 7 (13 или 22) при открытом ключе 5
u1*C4 = u2*C4 + u2*C7 ; из этого выражения следует
C7 = C4 (u1 – u2) / u2

Преимущества бестрансформаторного источника питания для электросварки.

Основным достоинством бестрансформаторной электросварки является то, что блок питания 1 изолирован от нагрузки во время сварочной процедуры. Электрическая энергия от блока питания 1 передается к нагрузке в три этапа: сначала заряжаются накопительные конденсаторы 4, 10, 19 через открытые ключи 3, 9, 18, затем они передают свою энергию конденсаторам 7, 13, 22 посредством ключей 5, 11, 20 и на последнем этапе конденсаторы 7, 13, 22, разряжаясь через дроссель 15, образуют сварочный ток. Данное обстоятельство определяет высокую надежность и безопасность в работе всей конструкции.

Приведенная конструкция позволяет отказаться от сварочного трансформатора и силового полупроводникового выпрямителя, обеспечивая оптимальный режим работы и низкий уровень пульсаций сварочного тока.

Принципиальня схема обеспечивает надежную работу емкостного преобразователя напряжения в диапазоне частот от 20кГц до 200кГц и выше, при этом максимальный сварочный ток может достигать 160…400А, а минимальный устойчивый ток – 2…5А.

Бестрансформаторная электросварка обладает высокой стабильностью рабочих характеристик, ее конструктивные возможности позволяют изготавливать оборудование, обеспечивающее высококачественную сварку тонких листовых материалов.

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