RU2116174C1

RU2116174C1 - Welding-arc dc power supply

Info

Publication number: RU2116174C1
Application number: RU97114899A
Authority: RU
Inventors: А.Д. Пузиков; В.М. Лебедев; М.И. Суворинов
Original assignee: Государственный рязанский приборный завод
Priority date: 1997-08-18
Filing date: 1997-08-18
Publication date: 1998-07-27

Abstract

FIELD: small-sized, energy- intensive, inverter-type welding equipment. SUBSTANCE: power supply has rectifier unit, bridge-type semiconductor power converter, power transformer, output rectifier and reactor, control unit with control transformer, current-limiting reactor, current transformer, and threshold device. Newly introduced in power supply are threshold-device reference pulse shaper, quenching unit, flat and drooping current- voltage characteristic shaper, arc firing unit improving its striking and maintenance conditions, stepless turn-on and turn-off device for power rectifier. EFFECT: improved reliability in transients and in case of supply voltage failure, enlarged functional capabilities due to extended range of welding currents. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к сварочной технике, в основном к малогабаритным аппаратам с малой массой и широким диапазоном регулирования постоянного сварочного тока. The invention relates to welding equipment, mainly to small-sized devices with low weight and a wide range of regulation of constant welding current.

Известны источники питания для сварочной техники переменного тока на основе трансформаторов, постоянного тока на основе выпрямителей, электромеханических преобразователей, силовых преобразователей с использованием полупроводниковых ключей. Последние имеют наименьшие габариты и массу. Known power sources for welding equipment of alternating current based on transformers, direct current based on rectifiers, electromechanical converters, power converters using semiconductor switches. The latter have the smallest dimensions and weight.

Из них по технической сущности наиболее близким является источник питания сварочной дуги постоянного тока, описанный в патенте России N 2018424, 1994 г. Of these, by technical nature, the closest is the power source for the DC welding arc, described in Russian patent N 2018424, 1994.

Дальнейшее совершенствование прототипа позволяет устранить существующие недостатки: ограничение максимального сварочного тока и мощности; невозможность сварки металлов большой толщины и резки металлов; ограничение диаметра и типа электродов для сварки; отсутствие "жесткой" вольтамперной характеристики; отсутствие схемы поджига дуги; отсутствие схемы плавного включения и выключения питания силовых ключей с целью повышения надежности работы преобразователя. Further improvement of the prototype eliminates the existing disadvantages: limiting the maximum welding current and power; the impossibility of welding metals of large thickness and cutting metals; limiting the diameter and type of electrodes for welding; lack of a "rigid" current-voltage characteristic; lack of an arc ignition circuit; lack of a scheme for smooth turning on and off the power of power switches in order to increase the reliability of the converter.

Задача изобретения - увеличение диапазона свариваемых металлов, расширение диапазона регулировки тока, расширение ассортимента применяемых электродов, обеспечение "падающей" и "жесткой" вольтамперных характеристик источника питания, улучшение процесса зажигания и поддержания сварочной дуги, улучшение показателя отношения величины сварочного тока к массе аппарата (А/кг). The objective of the invention is to increase the range of metals being welded, expanding the range of current adjustment, expanding the range of electrodes used, providing “falling” and “hard” current-voltage characteristics of the power source, improving the ignition process and maintaining the welding arc, improving the ratio of the welding current to the mass of the apparatus (A / kg).

Сущность изобретения состоит в том, что в источник питания вводятся дополнительно формирователь опоры, формирователь срыва колебаний, дополнительные обмотки сварочного трансформатора и выпрямитель поджига дуги, формирователь "падающей" и "жесткой" вольтамперных характеристик, устройство плавного включения и выключения первичного источника питания. Наличие этих элементов позволяет значительно повысить потребительские качества источника сварочного тока. The essence of the invention lies in the fact that an additional shaper of support, a shaper of oscillation failure, additional windings of the welding transformer and an arc ignition rectifier, a shaper of “falling” and “hard” current-voltage characteristics, a device for smooth switching on and off of the primary power source are introduced into the power source. The presence of these elements can significantly improve the consumer qualities of the welding current source.

На фиг. 1 изображен источник, содержащий входной выпрямительный блок 1, устройство плавного включения и выключения 2, силовой преобразователь 3, состоящий из полупроводниковых ключей 4 и сварочного трансформатора 5, выходные выпрямители 6, сварочный дроссель 7, дроссель поджига 8, выпрямители поджига на диодах 9 и обмотки 10, обмотки поджига 11, устройство управления 12 с источником питания 13 устройства управления, задающим генератором 14, делителем частоты на два 15, коммутатором 16, формирователем импульсов 17, связанным с первичной обмоткой 38 управляющего трансформатора 18, формирователем срыва колебаний 19, первым мостиковым выпрямителем 20 и обмоткой срыва колебаний 21, трансформатором тока 22, вторым мостиковым выпрямителем 23, пороговым устройством 24, формирователем опоры 25 (генератором пилообразного напряжения) в составе ключа 26 и разрядной цепи 27, задатчиком тока дуги 28, задатчиком напряжения дуги 29, формирователем "падающей" и "жесткой" вольтамперных характеристик 30, развязывающим диодом 31. Источник также содержит ограничивающий дроссель 32, источник питания вольтдобавки в составе вспомогательной обмотки 33 ограничивающего дросселя 32 и диодного выпрямителя 34, обмотку положительной обратной связи (ПОС) 35, переключатель вольтамперных характеристик 36, дуговой промежуток 37. In FIG. 1 shows a source containing an input rectifier unit 1, a soft on and off device 2, a power converter 3 consisting of semiconductor switches 4 and a welding transformer 5, output rectifiers 6, a welding inductor 7, an ignition inductor 8, ignition rectifiers on diodes 9 and windings 10, ignition winding 11, a control device 12 with a power source 13 of a control device, a master oscillator 14, a frequency divider into two 15, a switch 16, a pulse shaper 17 connected to the primary winding 38 of the control a transformer 18, a breaker of oscillation 19, a first bridge rectifier 20 and a winding of a breakdown of 21, a current transformer 22, a second bridge rectifier 23, a threshold device 24, a former of a support 25 (sawtooth generator) as part of a key 26 and a discharge circuit 27, a current commander of the arc 28, the voltage adjuster of the arc 29, the shaper of the "falling" and "hard" current-voltage characteristics 30, a decoupling diode 31. The source also contains a limiting choke 32, a power source for the voltage-boosting component atelnoy limiting choke coil 33 and the diode 32 of the rectifier 34, the positive feedback winding (PIC) 35, a switch 36, current-voltage characteristics, the arc gap 37.

Входной выпрямительный блок 1 состоит из выпрямителя, фильтра и выключателя. Постоянное напряжение поступает на вход устройства плавного включения и выключения 2, а с выхода его поступает на силовой преобразователь 3. Плавное включение и выключение питания повышает надежность работы силового преобразователя за счет исключения "ложного" запуска преобразователя, приводящего к отказу силовых ключей. Полупроводниковые ключи 4, образующие мостовой преобразователь, формируют прямоугольные двухполярные импульсы одинаковой длительности. На время переключения полярности между импульсами формируется короткая пауза. Управление ключами производится управляющим трансформатором 18 устройства управления 12. Процесс протекания токов через диагонали мостового преобразователя следующий: плюс источника, открытый ключ VTI, первичная обмотка трансформатора тока 22 (выводы а, б на фиг. 1), первичная обмотка сварочного трансформатора 5, обмотка ограничивающего дросселя 32, обмотка ПОС 35, открытый ключ VT4, минус источника питания. В следующий полупериод ключи VT1, VT4 закрываются, а VT2, VT3 открываются. Запуск на полупроводниковые ключи 4 поступает от управляющего трансформатора 18. The input rectifier unit 1 consists of a rectifier, filter and switch. Constant voltage is supplied to the input of the device for smooth turning on and off 2, and from the output it is supplied to the power converter 3. Smooth turning on and off the power increases the reliability of the power converter by eliminating the "false" start of the converter, which leads to the failure of the power switches. The semiconductor switches 4 forming a bridge converter form rectangular bipolar pulses of the same duration. A short pause is formed during the polarity switching between pulses. The keys are controlled by the control transformer 18 of the control device 12. The process of currents flowing through the diagonals of the bridge converter is as follows: plus the source, the VTI public key, the primary winding of the current transformer 22 (terminals a, b in Fig. 1), the primary winding of the welding transformer 5, the limiting winding inductor 32, winding PIC 35, public key VT4, minus the power source. In the next half-cycle, the keys VT1, VT4 are closed, and VT2, VT3 are opened. Start on the semiconductor switches 4 comes from the control transformer 18.

Формирователь импульсов 17 создает импульсное напряжение на первичной обмотке управляющего трансформатора следующим образом: задающий генератор 14 формирует короткие прямоугольные импульсы И₁₄, которые поступают на делитель частоты на два 15. Эпюры напряжения и тока приведены на фиг. 2.The pulse generator 17 creates a pulse voltage on the primary winding of the control transformer as follows: the master oscillator 14 generates short rectangular pulses And ₁₄ , which are fed to the frequency divider by two 15. The voltage and current diagrams are shown in FIG. 2.

С выхода делителя частоты на два напряжение И_15-1, И_15-2 в виде меандра поступает на вход коммутатора 16. На его разрешающий вход также поступают короткие импульсы И₁₄ от генератора 14. С прямого и инверсного выходов коммутатора 16 импульсы И_16-1, И_16-2 поступают на вход формирователя 17. На первичной обмотке 38 управляющего трансформатора 18 формируются двухполярные импульсы запуска, причем между импульсами формируется короткая пауза на время переключения полупроводниковых ключей 4.From the output of the frequency divider into two voltages, And _15-1 , And _15-2 in the form of a meander is fed to the input of the switch 16. Short pulses And ₁₄ from the generator 14 are also fed to its resolving input. From the direct and inverse outputs of the switch 16, the And _16- pulses ₁ , And _16-2 are fed to the input of the shaper 17. On the primary winding 38 of the control transformer 18, bipolar trigger pulses are generated, and a short pause is formed between the pulses for the switching time of the semiconductor switches 4.

Со вторичных обмоток управляющего трансформатора 18 импульсы поступают на запуск полупроводниковых ключей 4. Каждая пара ключей открывается и закрывается поочередно. Пауза между закрыванием одной пары ключей и открыванием другой предотвращает прохождение сквозного тока через полупроводниковые ключи VT1, VT2 и VTЗ, VT4. From the secondary windings of the control transformer 18, the pulses are supplied to start the semiconductor switches 4. Each key pair is opened and closed alternately. The pause between closing one pair of keys and opening another prevents the passage of through current through the semiconductor switches VT1, VT2 and VT3, VT4.

На время паузы замыкается обмотка срыва колебаний 21 управляющего трансформатора 18 через формирователь срыва колебаний 19, представляющий собой ключ, и первый мостиковый выпрямитель 20. During a pause, the winding of the stall of oscillations 21 of the control transformer 18 is closed through the former of the stall of oscillations 19, which is a key, and the first bridge rectifier 20.

Для этого с задающего генератора 14 на запуск формирователя срыва колебаний 19 поступают короткие импульсы запуска. Этим устраняется случайный запуск силового преобразователя 3 в период паузы. Величина сварочного тока задается задатчиком тока дуги 28, представляющего собой потенциометр. Опорное напряжение выставляется на опорном входе порогового устройства 24, выполняющего функции компаратора. To do this, from the master oscillator 14 to start the shaper breakdown of oscillations 19 received short start pulses. This eliminates the accidental start of the power converter 3 during the pause period. The magnitude of the welding current is set by the current setter of the arc 28, which is a potentiometer. The reference voltage is set at the reference input of the threshold device 24, which performs the functions of a comparator.

Ток через первичную обмотку сварочного трансформатора 5 протекает последовательно через обмотку силового дросселя 32, поэтому его форма представляет собой трапецию I_VT1, I_VT2, приведенную на фиг. 2, а максимальная амплитуда его формируется к концу импульса, при этом форма напряжения представляет разнополярные прямоугольные импульсы И_вых _ТР5.The current through the primary winding of the welding transformer 5 flows sequentially through the winding of the power inductor 32, so its shape is a trapezoid I _VT1 , I _VT2 shown in FIG. 2, and its maximum amplitude is formed towards the end of the pulse, while the voltage shape represents bipolar rectangular pulses And _output _TP5 .

На второй вход порогового устройства 24 через второй мостиковый выпрямитель 23 поступает напряжение, пропорциональное амплитуде в первичной обмотке трансформатора тока 22. При достижении определенной амплитуды напряжения с выхода порогового устройства 24 на вход задающего генератора 14 поступает импульс синхронизации И_вых ₂₄ (фиг. 2). Период следования импульсов задающего генератора И₁₄ уменьшается, а следовательно, после делителя частоты на два 15 уменьшается длительность импульсов запуска силового преобразователя 3. С уменьшением длительности импульсов запуска И_16-1, И_16-2 уменьшается амплитуда тока через полупроводниковые ключи 4, так как форма этого тока представляет собой трапецию. На фиг. 2 штриховой линией показаны эпюры напряжений при условии срабатывания порогового устройства.A voltage proportional to the amplitude in the primary winding of the current transformer 22 is supplied to the second input of the threshold device 24 through the second bridge rectifier 23. When a certain voltage amplitude is reached, the output of the threshold device 24 receives a synchronization pulse And _output ₂₄ (Fig. 2). The pulse repetition period of the master oscillator And ₁₄ decreases, and therefore, after the frequency divider, the duration of the start pulses of the power converter 3 decreases by two 15. With a decrease in the duration of the start pulses And _16-1 , And _16-2 , the current amplitude through the semiconductor switches 4 decreases, since the shape of this current is a trapezoid. In FIG. 2, the dashed line shows the voltage plots under the condition that the threshold device is triggered.

Для повышения стабильности и надежности работы силового преобразователя 3 необходимо, чтобы чередующиеся импульсы преобразователя 3 имели равную длительность в полупериодах. Для этого на опорный вход порогового устройства 24 подается не постоянное напряжение, а пилообразное: И_оп ₂₄ на фиг. 2. Оно поступает с формирователя опоры 25. Для формирования пилообразного напряжения импульс запуска от задающего генератора 14 поступает на ключ 26 формирователя опоры 25, параметры разрядной цепи 27 которого могут регулироваться по величине стабильного тока. В качестве разрядной цепи как источника тока может использоваться ток коллектора транзистора, регулируемый по цепи базы.To increase the stability and reliability of the power converter 3, it is necessary that the alternating pulses of the converter 3 have an equal duration in half-periods. To this end, not a constant voltage but a sawtooth voltage is supplied to the reference input of the threshold device 24: And _op ₂₄ in FIG. 2. It comes from the shaper of the support 25. To generate a sawtooth voltage, the start pulse from the master generator 14 is supplied to the key 26 of the shaper of the support 25, the parameters of the discharge circuit 27 of which can be regulated by the value of the stable current. As the discharge circuit as a current source, the collector current of the transistor, adjustable along the base circuit, can be used.

Таким образом с помощью задатчика тока дуги 28 можно регулировать крутизну пилообразного напряжения опоры, а следовательно, и амплитуду сварочного тока. Thus, using the arc current adjuster 28, it is possible to control the steepness of the sawtooth voltage of the support, and hence the amplitude of the welding current.

В режиме короткого замыкания напряжение дугового промежутка падает до нуля, опорное напряжение изменяется так, что пороговое устройство 24 срабатывает при меньшей амплитуде тока, повышается частота импульсов синхронизации И_вых ₂₄, при этом длительность импульсов запуска преобразователя 3 уменьшается автоматически (эпюры И_16-1, И_16-2, И_вых ₂₄ фиг. 2 штриховой линией).In the short-circuit mode, the arc gap voltage drops to zero, the reference voltage changes so that the threshold device 24 is triggered at a lower current amplitude, the frequency of the synchronization pulses And _output ₂₄ increases, while the duration of the start pulses of the converter 3 decreases automatically (plot And _16-1 , And _16-2 , And _output _{24 of} Fig. 2 by a dashed line).

При возникновении дуги формируется "падающая" вольтамперная характеристика. Для формирования "жесткой" вольтамперной характеристики дугового промежутка в устройство управления введен формирователь "падающей" и "жесткой" вольтамперных характеристик 30, представляющий собой усилитель постоянного тока и создающий отрицательную обратную связь с выхода источника на вход формирователя опоры 25. При замыкании оператором переключателя 36 обратная связь воздействует на опорное напряжение порогового устройства 24 таким образом, что выходное напряжение источника питания сварочной дуги становится стабильным в некоторой области. Величина стабильного напряжения дуги устанавливается оператором с помощью задатчика напряжения дуги 29, представляющего собой потенциометр. When an arc occurs, a “falling” current-voltage characteristic is formed. To form a “hard” current-voltage characteristic of the arc gap, a “falling” and “hard” current-voltage characteristics driver 30 is introduced into the control device, which is a DC amplifier and creates negative feedback from the source output to the input of the support former 25. When the switch 36 closes the switch 36, the inverse the connection acts on the reference voltage of the threshold device 24 so that the output voltage of the power source of the welding arc becomes stable in some blasts. The value of the stable arc voltage is set by the operator using the arc voltage adjuster 29, which is a potentiometer.

Для оптимальной работы полупроводниковых ключей 4, определяемой рассеиваемой мощностью в режимах насыщения, необходимо, чтобы они были в достаточном, но неглубоком насыщении, что соответствует плоской части импульса. For optimal operation of the semiconductor switches 4, determined by the dissipated power in saturation modes, it is necessary that they are in sufficient, but not shallow saturation, which corresponds to the flat part of the pulse.

В режиме холостого хода ток потребления устройства управления минимальный. Питание формирователя импульсов 17 производится от маломощного источника питания 13 устройства управления через развязывающий диод 31. При появлении тока в дуговом промежутке 37 через обмотку ПОС 35 протекает ток, который обеспечивает пропорциональное питание базовых цепей полупроводниковых ключей 4. In idle mode, the current consumption of the control device is minimal. The power of the pulse shaper 17 is produced from a low-power source 13 of the control device through the decoupling diode 31. When a current appears in the arc gap 37, a current flows through the POS 35 winding, which provides proportional power to the base circuits of the semiconductor switches 4.

Для питания базовых цепей мощных полупроводниковых ключей 4 требуется значительная мощность, превышающая мощность источника питания 13 устройства управления. Поэтому для питания формирователя импульсов 17 использован дополнительный источник вольтдобавки, состоящий из вторичной вспомогательной обмотки 33 ограничительного дросселя 32 и диодного выпрямителя 34. Такое необычное использование ограничительного дросселя 32 позволяет получить напряжение питания вольтдобавки, пропорциональное току сварочной дуги, что обеспечивает оптимальный режим управления полупроводниковыми ключами 4. To power the base circuits of powerful semiconductor switches 4, significant power is required that exceeds the power of the power source 13 of the control device. Therefore, to power the pulse shaper 17, an additional voltage boosting source was used, consisting of a secondary auxiliary winding 33 of the restriction inductor 32 and a diode rectifier 34. Such an unusual use of the restriction inductor 32 allows to obtain the voltage supply of the voltage boost proportional to the welding arc current, which ensures the optimal control mode for semiconductor switches 4 .

Сварочный трансформатор 5 со своими вторичными обмотками 10, выходными выпрямителями 6 и сварочным дросселем 7 образуют основной выпрямительный блок источника сварочной дуги. Для улучшения поджига дуги на трансформаторе 5 образовано устройство поджига дуги. В его состав входят вторичные обмотки 10 и 11 трансформатора 5, выпрямители на диодах 9 и дроссели поджига 8. Устройство поджига дуги имеет напряжение больше, чем основной выпрямительный блок на холостом ходу, а при наличии тока дуги их напряжения выравниваются. При этом ток основного выпрямительного блока значительно превосходит ток устройства поджига дуги. Изменение напряжения гасится дросселем поджига 8. Сварочный дроссель 7 создает условия непрерывности тока и стабильности горения дуги. Welding transformer 5 with its secondary windings 10, output rectifiers 6 and welding choke 7 form the main rectifier block of the source of the welding arc. To improve the ignition of the arc on the transformer 5, a device for ignition of the arc. It consists of secondary windings 10 and 11 of transformer 5, rectifiers on diodes 9 and ignition chokes 8. The arc ignition device has a voltage greater than the main rectifier block at idle, and in the presence of an arc current, their voltage is equalized. In this case, the current of the main rectifier unit significantly exceeds the current of the arc ignition device. The voltage change is quenched by the ignition inductor 8. The welding inductor 7 creates the conditions for the continuity of the current and the stability of the arc burning.

Claims

1. The power source of the DC welding arc, containing the input rectifier unit, a power converter consisting of semiconductor switches and a welding transformer, the secondary winding of which is connected to the output rectifier, a choke included in the welding circuit, a control device with a control transformer, outputs connected to the semiconductor keys, limiting the inductor connected in series with the primary winding of the welding transformer, the primary winding of the current transformer and winding the positive feedback of the control transformer, a threshold device, an arc current master, a master oscillator, characterized in that a power source of the control device, a support shaper, a shaper of “falling” and “hard” current-voltage characteristics, an arc ignition device, a voltage supplement are introduced into it , shaper breakdown of oscillations, a device for smooth turning on and off the power, and the output winding of the current transformer is connected to the input of the second bridge rectifier, and its output to an ode to the threshold device, the reference input of which is connected to the output of the support shaper, the output of the threshold device is connected to the input of the master generator, the input connected to the input of the support shaper, the stall winding of the control transformer is connected to the input of the first bridge rectifier, and its output is connected to the output of the shaker of the vibrations , the input of which is connected to the output of the master oscillator, the input of the frequency divider into two and the input of the switch, and the frequency divider to two connected to the inputs of the switch through the direct and inverse outputs, and the direct and inverse outputs of the switch are connected to the inputs of the pulse shaper, the output of which is connected to the primary winding of the control transformer, the middle point of which is connected to the power source of the control device through an isolation diode, to which is also connected the power source of the voltage supplement as part of the auxiliary windings of the limiting inductor and the diode rectifier connected in series, the arc current master with its adjustable output is connected to the input bit n of the support shaper circuit, the second input of the support shaper is connected to the output of the welding arc power source, the third input of the support shaper is connected to the output of the “falling” and “hard” current-voltage characteristics through the arc voltage adjuster, and its input is connected to the output of the welding arc power source through a switch of current-voltage characteristics, a device for smooth turning on and off with an input connected to the output of the input rectifier unit and the power source of the control device, and the output to the input of the circuit and power semiconductor switches, and the input of the power source of the control device and the input of the input rectifier unit on the primary power circuit.

2. The source according to claim 1, characterized in that the secondary winding of the ignition of the welding transformer, the ignition inductor and the ignition rectifier are connected in series, and the output of the ignition rectifier is parallel to the output rectifier.