РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ	(19) RU (11) 2 441 734 (13) C1
	(51) МПК B23K 9/095 (2006.01)

Статус:	не действует (последнее изменение статуса: 02.07.2021)
Пошлина:	учтена за 5 год с 03.06.2014 по 02.06.2015. Возможность восстановления: нет.

(21)(22) Заявка: 2010122552/02, 02.06.2010 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 02.06.2010 Приоритет(ы): (22) Дата подачи заявки: 02.06.2010 (45) Опубликовано: 10.02.2012 Бюл. № 4 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: ЗЫЗЛАЕВ Н. Сваркой управляет электроника, Моделист-конструктор, 2005, №1. RU 20086372 C1, 10.08.1997. RU 2069610 С1, 27.11.1996. RU 2060126 C1, 20.06.1996. RU 2056235 C1, 20.03.1996. RU 2009808 C1, 30.03.1994. CN 1846923 A, 18.10.2006. CN 2551388 Y, 21.05.2003. JP 54149344 A, 22.11.1979. Адрес для переписки: 677000, г.Якутск, Республика Саха (Якутия), ул.Белинского, 58, СВФУ, Центр интеллектуальной собственности, А.А.Винокурову

(72) Автор(ы): Шадрин Георгий Алексеевич (RU), Переляев Анатолий Витальевич (RU) (73) Патентообладатель(и): Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К.Аммосова" (RU)

(54) ОДНОФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Изобретение относится к области дуговой сварки металлов плавящимися электродами, в частности к электрической сварке на постоянном токе.

Однофазный выпрямитель может быть использован для сварки металлоконструкций и изделий ограниченной толщины при производстве ремонтных работ в быту, при сантехнических работах и во многих областях народного хозяйства, а также стартерного запуска двигателей автомобилей и зарядки аккумуляторный батарей.

Известен однофазный сварочный выпрямитель (см., например, патент №2060126 РФ от 20.05.1996), содержащий силовой трансформатор, вторичная обмотка которого состоит из частей, два тиристора, два диода и двухсекционный дроссель, подключенных к частям вторичной обмотки, причем число витков вторичной обмотки выбрано исходя из условий получения максимального и минимального сварочного тока, обеспечивая возбуждение и горение дуги.

Основным недостатком этого сварочного выпрямителя является сложность силовой схемы и схемы управления, вследствие чего невысокая надежность и большие потери в элементах выпрямительного устройства.

Известен тиристорный регулятор для ручной дуговой сварки металлическими электродами, выбранный в качестве аналога (см., например, http://scilab.narod.ru/svarreg.html статью Полушкина А. «Тиристорный регулятор для сварочного трансформатора»), содержащий трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к однофазной питающей сети, силовую вторичную обмотку, нагруженную на несимметричный диодно-тиристорный мостовой выпрямитель, и две дополнительные обмотки с мостовыми выпрямителями для питания схем блока управления и удвоитель напряжения.

Недостатками такого выпрямителя для дуговой сварки являются большие пульсации выпрямленного напряжения из-за отсутствия дросселя, потери в балластных сопротивлениях, низкий КПД, неоптимальная схема управления.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому положительному эффекту является сварочный выпрямитель для дуговой сварки, выбранный в качестве прототипа (см., например, статью Н.Зызлаева «Сваркой управляет электроника», - Моделист-конструктор, 2005, №1).

Сварочный выпрямитель содержит блок фазового управления, многообмоточный трансформатор блока управления, силовой трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к однофазной питающей сети, и две вторичные обмотки со средней точкой, одна из которых нагружена на силовой управляемый выпрямитель, а вторая - на диодный выпрямитель с дросселем, обеспечивающий подпитку сварочной цепи, и трансформатор тока в цепи управляемого выпрямителя.

Недостатками прототипа являются неудовлетворительные массогабаритные показатели из-за большой габаритной мощности силового трансформатора и наличия трансформатора управления, значительная индуктивность рассеяния, снижающая КПД и коэффициент мощности.

Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей, снижение пульсаций, массы и габаритов, повышение надежности работы выпрямителя за счет ограничения тока короткого замыкания и напряжения холостого хода.

Поставленная цель достигается тем, что в однофазный выпрямитель для дуговой сварки, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, силовая вторичная обмотка нагружена на несимметричный диодно-тиристорный мостовой выпрямитель, одна дополнительная вторичная обмотка подключена к блоку стабилизации дуги, соединенному с силовым дросселем, а вторая дополнительная вторичная обмотка соединена с блоком управления, содержащим широтно-импульсный модулятор вертикального принципа управления и датчик тока, введены блок защиты и последовательно с тиристорами отсекающие диоды и конденсатор, который установлен между общими точками их соединения, а между общими точками соединения тиристоров и диодов несимметричного мостового выпрямителя через датчик тока подключен силовой дроссель, а параллельно зажимам нагрузки через закрытый контакт токового реле подсоединен резистор, причем блок защиты входом подключен к датчику тока, выходом - ко входам блока управления и промежуточного реле.

Блок защиты выполнен на двух пороговых элементах, состоящих каждый из потенциометра напряжения уставки и стабилитрона на входе транзистора, причем в коллекторе одного транзистора включено промежуточное реле, зашунтированное обратным диодом, а в коллекторе другого подключен диод диодно-транзисторного оптрона, его транзистором зашунтирован потенциометр задающего напряжения, движок которого соединен с транзистором регулируемого сопротивления, шунтирующего резистор интегрирующей RC цепи, подключенной на вход широтно-импульсного модулятора блока управления.

Блок стабилизации дуги выполнен на диодном мостовом выпрямителе с конденсатором на выходе и разрядным тиристором, подключенным к общей точке соединения тиристоров и дросселя.

Анализ известных технических решений в области источников питания (выпрямителей) постоянного тока для дуговой сварки позволяет констатировать выводы об отсутствии признаков, сходных с существенными признаками в заявляемом тиристорном источнике питания для дуговой сварки, и признать заявляемое решение соответствующим критерию «Существенные отличия».

Сущность изобретения заключается в том, что переключение тиристоров выпрямителя происходит по заданному алгоритму, и проводящий тиристор может быть заперт в любой момент времени, предотвращая возможное короткое замыкание в цепи нагрузки. Такой режим обеспечивается накопленной энергией конденсатора, который в предыдущий полупериод заряжается до амплитудного значения напряжения питающей сети. При отпирании коммутирующего тиристора конденсатор, разряжаясь, запирает отпертый тиристор и перезаряжается током нагрузки до амплитудного значения напряжения силовой вторичной обмотки. Для повышения надежности горения дуги в выпрямителе использован блок импульсной стабилизации дуги.

На фиг.1 приведена принципиальная схема однофазного выпрямителя для дуговой сварки, на фиг.2 показана принципиальная схема порогового элемента, фиг.3 - внешняя характеристика выпрямителя, а на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы выпрямителя.

Однофазный выпрямитель содержит силовой трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого подключена к питающей сети, и три вторичных обмотки 4, 5 и 6. К силовой вторичной обмотке 3 подключен несимметричный диодно-тиристорный мостовой выпрямитель. Одна дополнительная вторичная обмотка 4 предназначена для питания блока 10 управления, а вторая обмотка 5 нагружена на блок 6 стабилизации дуги выпрямителя.

Блок 6 стабилизации дуги выполнен на мостовом диодном выпрямителе 7, к диагонали постоянного тока которого подключен конденсатор 8 и последовательно - разрядный тиристор 9, обеспечивающий импульсную стабилизацию горения дуги.

К общему узлу, являющемуся одним выводом нагрузки 15 (например, плюсом), подключены анодами (или катодами) тиристоры 11 и 12 несимметричного мостового выпрямителя, зажим блока стабилизации дуги и дроссель 13, соединенный последовательно с датчиком 14 тока.

Второй заземленный вывод образован общей точкой встречно-соединенных диодов 16 и 17 и является минусом нагрузки 15.

Последовательно с тиристорами 11 и 12 включены отсекающие диоды 18 и 19, между общими точками соединения которых подключен конденсатор 20. Блок 23 защиты входом подсоединен к датчику 14 тока, выполненному, например, на резистивном шунте с усилителем или на основе эффекта Холла фирмы LEM типа LT200P, а выходом подключен к закрытому контакту 21 промежуточного реле, соединенного с резистором 22, подключенным параллельно выводам нагрузки 15.

Питание пороговых элементов постоянным напряжением U_d, пропорциональным току I_d нагрузки, осуществляется от датчика 14 тока и выставляется потенциометром 24.

В блок 23 защиты входят два потенциометра 25 и 26, задающие опорное напряжение U_ОП, и два пороговых элемента, состоящих из стабилитронов 27, 28 и транзисторов 29, 30. В коллекторах транзисторов 29 и 30 включены промежуточное реле 31, зашунтированное обратным диодом 32, и транзисторная оптопара 33, соответственно.

Питание остальной части схемы блока защиты 23 обеспечивается от источника питания Е_П блока 10 управления. Выходное напряжение U_d и ток I_d сварки в нагрузке 15 устанавливается потенциометром 34, задающим напряжение U_ЗАД управления интегрирующей цепи на резисторе 35 и конденсаторе 36. Параллельно резистору 35 включены транзистор 37 с резистором 38, позволяющие изменять постоянную времени интегрирующей цепи: τ=R₁C-(R₃₅·C₃₆), соответствующую минимальному углу α_к≈3-5° и минимальному напряжению U_УПР, поступающему на вход широтно-импульсного модулятора (ШИМ) блока 10 управления. ШИМ выполнен на сравнении пилообразного треугольного напряжения с напряжением U_УПР.

Формируемые ШИМ импульсы 42, 43 в один полупериод напряжения 40 симметричны моменту π/2, заполнены высокочастотными импульсами и находятся в противофазе с импульсом 44. Аналогичны импульсы в следующем полупериоде.

При токе сварки I_d=(1,2-1,25)·I_d.ном увеличивается напряжение U_d на входе блока 23 защиты, пробивается стабилитрон 28 и отпирается транзистор 30. По диоду оптопары 33 потечет ток, преобразующийся в световой поток. Световым потоком диода оптопары 33 открывается фототранзистор, шунтирующий потенциометр 34, при этом прикрывается транзистор 37, изменяется эквивалентное сопротивление R_ЭКВ=R₃₅·(R₃₈·R₃₇)/(R₃₅+R₃₈+R₃₇) и постоянная времени τ₁=R_ЭКВ·C, определяющая напряжение U_УПР на входе ШИМа и угол α_K≤90° тиристоров 9, 11 и 12.

Следовательно, блок 23 защиты следит за изменениями тока сварки.

Внешняя характеристика 41 выпрямителя приведена на фиг.3, подобна механической характеристике асинхронного двигателя и зависит от уставки тока I_ОТС отсечки.

Суть работы выпрямителя состоит в следующем.

В исходном состоянии полярность зарядки конденсатора 20 показана на фиг.1. В положительный полупериод напряжения питающей сети (начало на обмотке 3 обозначено точкой) в момент t₁=φ перехода тока 39 в обмотке 3 ШИМ-импульсом 42 с блока 10 управления открывается тиристор 11.

При подключении нагрузки 15 по цепи: обмотка 3 - диод 18 - тиристор 11 - дроссель 13 - датчик 14 тока потечет ток I_d. Происходит перезарядка конденсатора 20 током нагрузки 15 через диоды 17 и 19 полярностью, показанной в скобках (кривые 45).

Когда постоянное напряжение U_d, пропоциональное току I_d нагрузки 15, превысит опорное напряжение U_ОП потенциометра 25, пробивается стабилитрон 27 и отпирается транзистор 29. Включается промежуточное реле 29, которое разомкнет свой контакт 21 и отключит балластный резистор 22, который обеспечивает контур протекания тока при отсутствии дуги нагрузки 15. В момент t₂=α_k ШИМ-сигналом 42 одновременно открываются разрядный тиристор 9 и тиристор 12. Конденсатор 8 блока 6 стабилизации дуги в течение 30-50 мкс разряжается на контур: дроссель 13 - датчик 14 тока - нагрузка 15, на дугу накладывается стабилизирующий импульс тока.

Обратным напряжением конденсатора 20, показанным на фиг.1 в скобках, запирается тиристор 11. Конденсатор 20, разряжаясь по цепи: (+) - тиристор 12 - дроссель 13 - датчик 14 тока - нагрузка 15 - диод 17 - вторичная обмотка 3 - диод 18 - (-), заряжается полярностью, показанной без скобок. По окончании перезарядки конденсатора 20 открывается диод 19, и образуется короткозамкнутый контур, по которому спадает по экспоненте запасенная электромагнитная энергия. В момент времени t₃=α_k+π импульсом 43 повторно открывается тиристор 11, обратным напряжением запирается тиристор 12, а к нагрузке 16 прикладываются удвоенные пульсации выпрямленного напряжения 46, при этом ток I_d 47 практически идеально сглажен. Одновременно конденсатор 20, разряжаясь через тиристор 11 - дроссель 13 - датчик 14 тока I_d - нагрузку 15 - диоды 17 и 19, перезаряжается током I_d нагрузки 15 полярностью, приведенной в скобках. Эпюры перезарядки конденсатора 20 показаны кривыми 45.

При высокой разности потенциалов между электродом и изделием нагрузки 15 воздух, ионизируясь, становится проводником тока, дуга загорается и длительно горит.

В отрицательном полупериоде напряжения сети 3 процессы повторяются с той лишь разницей, что дважды отпирается тиристор 12 и вступают в работу диоды 16 и 19, а коммутирующим становится тиристор 11. За счет удвоенной пульсации выходного напряжения коэффициент сглаживания становится в 5 раз меньше, что позволяет уменьшить индуктивность сглаживающего дросселя и его габариты. Кроме того, при таком способе управления гармонический состав тока, потребляемого из сети, оказывает на сеть минимальное влияние, т.к. основная гармоника (cosφ₍₁₎=1,0) и другие гармоники не имеют фазового сдвига. Амплитуда импульса стабилизации дуги около 200 В.

Выпрямленное напряжение нагрузки 16 определяется по формуле

.

Из уравнения видно, что при α_K=30° и амплитуде U_m=50 B выпрямленное напряжение не более 7,65 В. Это говорит о том, что предлагаемый выпрямитель может использоваться и как зарядное устройство, и как стартер для запуска автомобильных двигателей.

Из описания следует, что предлагаемый выпрямитель обладает широкими функциональными возможностями, высокими энергетическими и массогабаритными показателями, высокой надежностью.

Формула изобретения

1. Однофазный выпрямитель для дуговой сварки, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, силовая вторичная обмотка нагружена на несимметричный диодно-тиристорный мостовой выпрямитель, одна дополнительная вторичная обмотка подключена к блоку стабилизации дуги, соединенному с силовым дросселем, а вторая дополнительная вторичная обмотка соединена с блоком управления, содержащим широтно-импульсный модулятор вертикального принципа управления, и датчик тока, отличающийся тем, что введены блок защиты и последовательно с тиристорами отсекающие диоды и конденсатор, который установлен между общими точками их соединения, а между общими точками соединения тиристоров и диодов несимметричного мостового выпрямителя через датчик тока подключен силовой дроссель, а параллельно зажимам нагрузки через закрытый контакт промежуточного реле подсоединен резистор, причем блок защиты входом подключен к датчику тока, выходом - ко входам блока управления и промежуточного реле.

2. Однофазный выпрямитель для дуговой сварки по п.1, отличающийся тем, что блок защиты выполнен на двух пороговых элементах, состоящих каждый из потенциометра напряжения уставки и стабилитрона на входе транзистора, причем к коллектору одного транзистора подключено промежуточное реле, а к коллектору другого - диод оптрона, его фототранзистором зашунтирован потенциометр задающего напряжения, движок которого соединен с транзистором регулируемого сопротивления, шунтирующего резистор интегрирующей RC-цепи, подключенной на вход широтно-импульсного модулятора блока управления.

3. Однофазный выпрямитель для дуговой сварки по п.1, отличающийся тем, что блок стабилизации дуги выполнен на однофазном мостовом выпрямителе с конденсатором на его выходе и разрядным тиристором, подключенным к общей точке соединения тиристоров и дросселя.

ИЗВЕЩЕНИЯ

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 03.06.2015

Дата публикации: 20.02.2016