СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Имя изобретателя: Буденный Анатолий Павлович
Имя патентообладателя: Буденный Анатолий Павлович
Адрес для переписки:
Дата начала действия патента: 27.06.1991
Использование: в электротехнике, а именно в сварочных аппаратах. Сущность изобретения: способ заключается в подаче на дуговой промежуток напряжения от источника питания сварочной дуги и импульсов возбуждения. Перед подачей импульсов возбуждения закорачивают выход источника питания сварочной дуги на время нарастания тока короткого замыкания до уровня стабильного тока дуги. Устройство содержит источник питания сварочной дуги, пороговый элемент, ключ, возбудитель импульсов зажигания, выходные шины источника питания.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к электротехнике, а именно к способу и устройствам для питания сварочной дуги переменного тока, и может быть использовано в сварочных аппаратах с малым напряжением холостого хода.
Известен способ возбуждения сварочной дуги, заключающийся в подаче напряжения источника питания на дуговой промежуток и коммутации витков обмотки трансформатора [1] .
Однако этот способ не обеспечивает эффективного запуска сварочной дуги при конструировании современных малогабаритных сварочных аппаратов.
Известно устройство для возбуждения сварочной дуги, содержащее ключ, вход которого соединен с выходом порогового элемента, первый вход которого подключен к первой выходной шине источника питания сварочной дуги [1] .
Однако это устройство не обеспечивает эффективного запуска сварочной дуги.
Наиболее близким к предлагаемому является способ возбуждения сварочной дуги, заключающийся в подаче на дуговой промежуток напряжения от источника питания сварочной дуги и импульсов возбуждения, реализованный в устройстве для возбуждения сварочной дуги, содержащем источник питания сварочной дуги, первая выходная шина которого является первой выходной шиной устройства, а вторая выходная шина соединена с первым выходом возбудителя импульсов зажигания [2] .
Однако известные способ и устройство также не позволяют обеспечить надежный запуск при напряжениях холостого хода источника питания сварочной дуги, так как ток через выходную индуктивность источника питания не может достичь быстро необходимого значения, что сказывается на качестве переходного процесса зажигания сварочной дуги, при напряжениях холостого хода источника питания сварочной дуги, близких к напряжению ее горения.
Целью изобретения является повышение надежности запуска при напряжениях холостого хода источника питания сварочной дуги, близких к напряжению ее горения.
Поставленная цель достигается тем, что в способе возбуждения сварочной дуги, заключающемся в подаче на дуговой промежуток напряжения от источника питания сварочной дуги и импульсов возбуждения, перед подачей импульса возбуждения закорачивают выход источника питания сварочной дуги на время нарастания тока короткого замыкания до уровня стабильного тока дуги.
Поставленная цель достигается также тем, что в устройство для возбуждения сварочной дуги, содержащее источник питания сварочной дуги, первая выходная шина которого является первой выходной шиной устройства, а вторая выходная шина соединена с первым выходом возбудителя импульсов зажигания, введены пороговый элемент и ключ, причем силовые выводы ключа соединены с выходными шинами источника питания сварочной дуги, к которым подключены входные выводы порогового элемента, выход которого соединен с входом управления ключа, а второй выход возбудителя импульсов зажигания подключен к второй шине источника питания сварочной дуги.
Сущность изобретения заключается в том, что закорачивание выхода источника питания подготавливает источник питания к быстрому возбуждению дуги, так как ток через его индуктивность возрастает до необходимого значения, что определяет успешный запуск при малых напряжениях источника питания.
На фиг. 1 дана функциональная схема устройства для возбуждения варочной дуги, реализующая предложенный способ; на фиг. 2 - ключ в транзисторном исполнении с пороговым элементом; на фиг. 3 - возбудитель импульсов зажигания для работы с транзисторным ключом; на фиг. 4 - предлагаемое устройство с ключом без использования полупроводниковых элементов и возбудителя импульсов зажигания; на фиг. 5 - выполнение ключа и порогового элемента, совмещенных в разряднике; на фиг. 6 - фазовый портрет возбуждения дуги; на фиг. 7 - временные диаграммы на выходе источника питания сварочной дуги; на фиг. 8 - временные диаграммы на выходе источника питания сварочной дуги с ключом без использования полупроводниковых элементов.
Устройство для возбуждения сварочной дуги содержит источник 1 питания сварочной дуги, пороговый элемент 2, ключ 3, возбудитель 4 импульсов зажигания, выходные шины 5 и 6, к которым подключены электрод и деталь соответственно, образующие дуговой промежуток. Источник 1 питания сварочной дуги включает источник 7 возбуждения, дроссель 8, первую и вторую выходные шины 9 и 10 соответственно. Возбудитель 4 импульсов зажигания выполнен в виде импульсного трансформатора с первичной 11 и вторичной 12 обмотками. Силовые выводы 13 и 14 ключа 3 соединены с шинами 9 и 10 соответственно.
Ключ 3 в транзисторном выполнении (фиг. 2) содержит двуполярный лавинный диод 15, конденсаторы 16 и 17, биполярный транзистор 18, включенный последовательно в цепь первичной обмотки 19 импульсного трансформатора (блоки трансформатора), вторичная обмотка 20 которого включена с положительной обратной связью в его базовую цепь, с насыщающимся магнитопроводом 21. В эту же цепь включена первичная обмотка 22 трансформатора блокировки импульсов с насыщающимся сердечником 23 с зазором, вторичная обмотка 24 которого включена в цепь блокировки импульсов. Положительная обратная связь на базу биполярного транзистора 18 подается с обмотки 20 через цепь из параллельно включенных прямого диода 25, обратного диода 26 и резистора 27. Резистор 28, включенный между коллектором и базой биполярного транзистора 18, образует с резистором 27 делитель напряжения с коллектора на базу. Резистор 29 подсоединен к базе биполярного транзистора 18 от конденсатора 30 блокировки импульсов. Диод 31 включен в обратном направлении с вторичной обмоткой 24 трансформатора блокировки импульсов. Стабилитрон 32 включен параллельно первичной обмотке 22 трансформатора блокировки импульсов. Диоды 33.1. . . 33.4 образуют выпрямительный мост, в диагональ которого включен транзисторный блокинг-генератор и стабилитрон 34, зашунтированный конденсатором 17. Обмотка 35 дросселя с насыщающимся магнитопроводом 36 включена в последовательную цепь с диодом 37, шунтирующую обмотки 19 и 20 импульсного трансформатора.
Резисторы 27 и 28 и эмиттер - базовый переход транзистора 18 выполняют роль порогового элемента 2.
Возбудитель 4 импульсов зажигания для работы с транзисторным ключом (фиг. 3) содержит двуполярный лавинный диод 15, комбинированный конденсатор в виде конденсаторов 38 и 93, стабилитроны 40 и 41, магнитный ключ 42 в виде дросселя с одной обмоткой, двухобмоточный трансформатор 43 и магнитные ключи 44 и 45 в виде двухобмоточных дросселей с конденсаторами 46-48.
Ключ без использования полупроводниковых элементов (фиг. 4) содержит повышающий трансформатор с первичной обмоткой 49, вторичной обмоткой 50 и насыщающимся сердечником 51, магнитный ключ 52 в виде дросселя с одной обмоткой, зашунтированной резистором 53, конденсаторы 54-56, магнитный ключ 57 в виде двухобмоточного дросселя, магнитный ключ 58 в виде дросселя с одной обмоткой, трансформатор 59 с насыщающимся сердечником, магнитные ключи 60-62 в виде двухобмоточных дросселей с конденсаторами 63-67.
Ключ и пороговый элемент, совмещенные в разряднике 68 (фиг. 5), содержат конденсатор 69, резистор 70 и конденсатор 71.
Магнитные ключи 42, 44, 45, 57, 58, 60, 61 и 62 выполнены с насыщающимся магнитопроводом. При этом количество магнитных ключей определяется необходимостью получения на выходе возбудителя 4 импульсов высоковольтного мощного импульса малой длительности. Построение магнитного ключа в виде двухобмоточного дросселя с конденсатором позволяет подать на последующий магнитный ключ напряжение обратного знака для предварительной установки магнитной индукции магнитопровода следующего каскада, что дает практически двойной диапазон изменения магнитной индукции и примерно двойное укорачивание (сжатие, компрессию) длительности выходного импульса со следующего магнитного ключа. Это подтверждается следующей формулой
где t1, t2 - длительность входного и выходного импульсов соответственно:
DВ - перепад индукции в сердечнике от нулевого состояния до насыщения, обычно меньше Вs;
mнас - магнитная проницаемость насыщенного магнитопровода;
Эc - энергия, запасаемая в конденсаторе;
V - объем магнитопровода.
Источник 1 питания дуги представляет собой источник напряжения с индуктивным выходным сопротивлением, описываемый следующей системой уравнений
где i - ток дуги; t - текущее время;
L - индуктивность дросселя 8, равная, например, 10-3 Гн;
Е - мгновенное напряжение, равное, например, 45 В;
U - проводимость дугового промежутка;
Uo - проводимость дугового промежутка после действия импульса возбуждения, равное, например 0,0935 Сим;
t - постоянная времени дуги;
а - коэффициент = 0,003.
Для возбуждения сварочной дуги перед подачей импульса возбуждения от возбудителя 4 импульсов зажигания закорачивают при помощи ключа 3 выход источника 1 питания сварочной дуги. Это происходит после срабатывания порогового элемента 2 при достижении напряжением источника 1 определенного значения и поступления с выхода порогового элемента 2 импульса включения на вход управления ключа 3. При этом напряжение на выходных шинах 9 и 10 равно 0, а ток источника 1 возрастает от 0 до значения » 5,5 А (см. фиг. 6, вид по стрелке 72, метки времени через 10 мкм). Полагая, что этот ток соответствует уровню стабильного тока дуги, подают импульс возбуждения от возбудителя 4, вызывающий в дуговом промежутке между выходными шинами 5 и 6, к которым подключены электрод и деталь, проводимость Uo = 0,0935 Сим. На фазовом портрете (фиг. 6) Uoизображена прямой линией 73. Ключ 3 размыкают, в результате чего точка в фазовом пространстве движется по траектории 74 за время порядка 0,1 - 0,2 мкс. За это время ток не успевает измениться. Проводимость U дугового промежутка при t = 10 - 300 мкс также не изменяется. Поэтому напряжение - ток дуги - точка 75 устанавливается в течение десятых долей микросекунды.
Дальнейшее движение точки в фазовом пространстве описывается системой уравнений (1), в которой имеется два инерционных объекта: дуга с постоянной времени t и индуктивность L.
Фазовые траектории дальнейшего движения точки показаны для двух постоянных времени дуги: 20 и 100 мкс - линии 76 и 77 соответственно. Они быстро выходят на статическую характеристику дуги - линия 78. Для сравнения эффективности предлагаемого способа возбудения на фиг. 6 даны фазовые траектории 79 и 80 для дуги с t1= 100 и t2 = 20 мкс соответственно при известном способе возбуждения. Можно видеть, что траектория 79 характеризует медленное возбуждение, а траектория 80 - прерывание дуги.
Для выполнения устройства по фиг. 2 напряжение с выходных шин 9 и 10 источника 1 через выпрямительный мост на диодах 33.1-33.4 поступает на блокинг-генератор, порог срабатывания которого определяется отношением резисторов 27 и 28 и напряжением база-эмиттер транзистора 18. Длительность импульсов блокинг-генератора определяется временем насыщения магнитопровода 21 трансформатора. Сердечник 23 трансформатора блокировки импульсов выполнен с воздушным зазором для накопления энергии от тока блокинг-генератора, которая при окончании импульса поступает через диод 31 в конденсатор 30 и через резистор 29 увеличивает порог элемента 2, запрещая генерацию второго импульса. Стабилитрон 34 с конденсатором 17 служит для защиты трансформатора от перенапряжений, а двуполярный лавинный диод 15 с конденсатором 16 - для защиты выхода источника 1 питания. По окончании импульса блокинг-генератора ток ключа 3, протекающий по первичной обмотке 11, прорывается, что вызывает появление высоковольтного импульса во вторичной обмотке 12, поджигающего дугу. Таким образом, прекращение короткого замыкания выхода источника 1 питания автоматически синхронизировано с импульсом возбуждения.
На фиг. 7 а, б, в показаны напряжения на шинах 9 и 10 в различных масштабах времени; на фиг. 7г - ток ключа 3.
Пример реализации предлагаемого устройства с конкретным выполнением возбудителя 4 импульсов зажигания для случая работы с транзисторным ключом 3 изображен на фиг. 3.
При размыкании ключа 3 ток дросселя 8 пробивает лавинный диод 15 и заряжает конденсаторы 38 и 39. Магнитный ключ 42 насыщается (срабатывает) и через трансформатор 43 передает энергию конденсатору 46. Затем магнитные ключи 44 и 45 последовательно передают энергию в конденсаторы 47 и 48, укорачивая длительность импульсов и увеличивая ток. Импульс с фронтом 0,05 мкс поступает на первичную обмотку 11 возбудителя 4 и через вторичную обмотку 12 на разрядный промежуток. Практически при токе транзистора 5 А ток магнитного ключа 45 равен 200 А.
В устройстве на фиг. 4 совмещены ключ 3 и пороговый элемент 2, роль которых выполняет магнитный ключ 52 и конденсаторы 54 и 55. При достижении площади фронта импульса напряжения порог срабатывания магнитный ключ 52 замыкается, в первый момент времени для выхода источника 1 - это короткое замыкание. Затем на конденсаторах 54 и 55 возрастает напряжение. Магнитный ключ 57 срабатывает и аналогично возбудителю 4 по фиг. 3 формирует необходимый высоковольтный укороченный импульс возбуждения на дуговой промежуток.
Большим преимуществом предлагаемого устройства по фиг. 4 является отсутствие малонадежных полупроводниковых элементов.
Временные диаграммы устройства по фиг. 4 представлены на фиг. 8:
а) напряжение на шинах 9 и 10;
б) напряжение на выходе ключа 52;
в) ток ключа 52;
г) ток источника 1 питания дуги;
д) напряжение на дуговом промежутке;
ж) напряжение на входе ключа 61 без предустановки магнитной индукции (однообмоточный дроссель);
з) то же, с предустановкой (виден эффект возрастания);
и) амплитуда напряжения на одном витке обмоток трансформатора возбудителя 4 импульсов с предустановкой и без.
На фиг. 5 пороговый элемент 2 и ключ 3 совмещены и выполнены на разряднике 68.
При работе при поступлении переднего фронта импульса напряжения через конденсатор 71 разрядник 68 дает серию коротких замыканий через обмотку 49 трансформатора, а импульсы возбуждения, подаваемые на дуговой промежуток, также способствуют короткому замыканию выхода источника 1 и росту тока через дроссель 8.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют разработать малогабаритные безопасные сварочные аппараты.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
-
Способ возбуждения сварочной дуги, при котором на дуговой промежуток подают напряжение от источника питания сварочной дуги и подают импульсы возбуждения, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности запуска при напряжениях холостого хода источника питания сварочной дуги, близких к напряжению ее горения, перед подачей импульса возбуждения закорачивают выход источника питания сварочной дуги на время нарастания тока короткого замыкания до уровня стабильного тока дуги.
- Устройство для возбуждения сварочной дуги, содержащее возбудитель импульсов зажигания и источник питания сварочной дуги, первая выходная шина которого соединена с первой выходной шиной устройства, вторая выходная шина устройства соединена с первым выходом возбудителя импульсов зажигания, а второй выход возбудителя импульсов зажигания подключен к второй выходной шине источника питания сварочной дуги, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности запуска при напряжениях холостого хода источника питания сварочной дуги, близких к напряжению ее горения, оно снабжено пороговым элементом и ключом, причем силовые выводы ключа соединены с выходными шинами источника питания сварочной дуги, к которым подключены входные выводы порогового элемента, выход которого соединен с входом управления ключа.