RU2413599C1

RU2413599C1 - Dc welding arc power supply

Info

Publication number: RU2413599C1
Application number: RU2009132835/02A
Authority: RU
Inventors: Николай Григорьевич Успенский (RU); Николай Григорьевич Успенский; Иван Валентинович Вершинин (RU); Иван Валентинович Вершинин; Александр Анатольевич Игнатенко (RU); Александр Анатольевич Игнатенко
Original assignee: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Рязанский Приборный Завод"
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-10

Abstract

FIELD: process engineering. ^ SUBSTANCE: invention relates to welding, particularly, to DC welding arc power supplies. Power supply comprises control converter, welding transformer, output throttle and power supply for booster made up of secondary winding of lighter, limiting throttle and lighter rectifier. Welding transformer primary is connected with control converter input while welding transformer secondary is connected with output rectifier. Lighter rectifier negative output is connected with output rectifier negative output. Output throttle is connected between positive output of output rectifier and positive output of lighter. Output rectifier positive and negative output are directly connected to positive and negative terminals of output welding circuit. ^ EFFECT: improved thermal mode, higher reliability in lighter, stable welding arc, reduced weight and sizes. ^ 1 dwg

Description

Изобретение относится к сварочной технике, в частности к источникам питания сварочной дуги постоянного (пульсирующего) тока с устройствами, обеспечивающими уверенный поджиг сварочной дуги и последующее поддержание ее устойчивости, используемым в сварочном оборудовании, питающемся непосредственно от промышленной сети или в сварочных аппаратах инверторного типа с «крутопадающей или «жесткой» вольтамперной характеристикой.The invention relates to welding equipment, in particular to power sources for a welding arc of a constant (pulsating) current with devices providing reliable ignition of the welding arc and subsequent maintenance of its stability, used in welding equipment powered directly from the industrial network or in inverter-type welding machines with steeply falling or "rigid" current-voltage characteristic.

Из уровня техники известен однофазный сварочный выпрямитель (Патент RU на изобретение №2056235, опубликовано 20.03.1996 г., МПК: B23K 9/06), включающий понижающий трансформатор с одной сетевой и двумя вентильными обмотками и два выпрямительных блока, выходы которых соединены параллельно. Первая обмотка и вентильный блок являются силовыми и обеспечивают подачу тока во вторичную сварочную цепь, вторая обмотка, с большим в 2-2,5 раза количеством витков, а значит и напряжением, через ограничивающий дроссель и второй маломощный выпрямительный блок обеспечивает уверенное возбуждение (поджиг) сварочной дуги, поднимая напряжение холостого хода до 70-90 В. Ограничивающий дроссель ограничивает ток короткого замыкания в цепи второго выпрямительного блока до значения 10-15 А, а после возбуждения дуги - до 10 А.The prior art single-phase welding rectifier (Patent RU for invention No. 2056235, published March 20, 1996, IPC: B23K 9/06), including a step-down transformer with one mains and two valve windings and two rectifier blocks, the outputs of which are connected in parallel. The first winding and the valve block are power and provide current to the secondary welding circuit, the second winding, with a large 2-2.5 times the number of turns, and therefore voltage, through the limiting inductor and the second low-power rectifier block provides reliable excitation (ignition) of the welding arc, raising the open circuit voltage to 70-90 V. The limiting inductor limits the short circuit current in the circuit of the second rectifier unit to a value of 10-15 A, and after arc excitation to 10 A.

Необходимое для сварки значение тока дуги поддерживается первым выпрямительным блоком, подключенным к первой вентильной обмотке с меньшим количеством витков.The arc current value required for welding is supported by the first rectifier unit connected to the first valve winding with fewer turns.

Ограничивающий дроссель, включенный последовательно со второй вентильной обмоткой, кроме функции ограничения тока, создает фазовый сдвиг выходного тока на 60-70° по отношению к выходному току первого выпрямительного блока, что помимо надежного возбуждения дуги обеспечивает ее устойчивость в процессе сварки.The limiting inductor connected in series with the second valve winding, in addition to the current limiting function, creates a phase shift of the output current by 60-70 ° with respect to the output current of the first rectifier unit, which, in addition to reliable arc excitation, ensures its stability during welding.

Недостатком такого технического решения является невозможность дальнейшего повышения устойчивости сварочной дуги, так как для этого необходимо увеличивать фазовый сдвиг до 90°, способствующий непрерывности выходного тока, что достигается повышением индуктивности ограничивающего дросселя, а это приводит к увеличению реактивного сопротивления дросселя и, как результат, к уменьшению тока и снижению устойчивости дуги. Противоречия становятся еще более значимыми при использовании данного схемного решения в сварочных аппаратах с высокочастотным преобразованием инверторного типа, на выходе которых присутствует не выпрямленное синусоидальное напряжение, а прямоугольное с широтно-импульсным или частотным регулированием. Достичь стабильности сварочного тока в паузах при широтно-импульсном или частотном регулировании на частотах 10-40 кГц без мощного выходного дросселя не представляется возможным.The disadvantage of this technical solution is the inability to further increase the stability of the welding arc, since for this it is necessary to increase the phase shift to 90 °, which contributes to the continuity of the output current, which is achieved by increasing the inductance of the limiting inductor, and this leads to an increase in the reactance of the inductor and, as a result, to reducing current and reducing arc stability. The contradictions become even more significant when using this circuit design in welding machines with inverter-type high-frequency conversion, the output of which is not a rectified sinusoidal voltage, but a rectangular one with pulse-width or frequency regulation. It is not possible to achieve stability of the welding current in pauses with pulse-width or frequency regulation at frequencies of 10-40 kHz without a powerful output choke.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является источник питания сварочной дуги постоянного тока инверторного типа (Патент RU на изобретение №2116174, опубликовано 27.07.1998 г., МПК: B23K 9/06), содержащий преобразователь, устройство управления, сварочный понижающий трансформатор, первичная обмотка которого соединена с устройством управления, а его вторичная обмотка соединена с выходным выпрямителем, выходной дроссель, включенный в сварочную цепь, источник питания вольтдобавки в составе последовательно соединенных вторичной обмотки поджига, ограничивающего дросселя и выпрямителя поджига. Плюсовой выход выходного выпрямителя соединен с плюсовым выходом выпрямителя поджига и через выходной дроссель с плюсовым выходом вторичной сварочной цепи.Closest to the proposed technical solution is a power source of an inverter type DC welding arc (Patent RU for invention No. 2116174, published July 27, 1998, IPC: B23K 9/06), comprising a converter, a control device, a welding step-down transformer, a primary winding which is connected to the control device, and its secondary winding is connected to the output rectifier, the output inductor included in the welding circuit, the power supply voltage boosting as part of a series-connected secondary winding Key ignition, limiting inductor and ignition rectifier. The positive output of the output rectifier is connected to the positive output of the ignition rectifier and through the output choke with the positive output of the secondary welding circuit.

Недостатком данного технического решения является наличие последовательно соединенного с выходной сварочной цепью выходного дросселя, обмотка которого должна быть рассчитана на максимальный сварочный ток, а сердечник должен иметь относительно большую площадь поперечного сечения для предотвращения его насыщения при этом токе. Применение выходного дросселя в данном техническом решении обусловлено необходимостью обеспечения стабильности работы инвертора и устойчивости сварочной дуги.The disadvantage of this technical solution is the presence of an output choke connected in series with the output welding circuit, the winding of which must be designed for maximum welding current, and the core should have a relatively large cross-sectional area to prevent it from saturating at this current. The use of the output choke in this technical solution is due to the need to ensure the stability of the inverter and the stability of the welding arc.

Кроме того, из-за больших протекающих в выходном дросселе токов, возникают потери энергии (100 Вт·сек и более), ухудшающие тепловой режим источника питания сварочной дуги постоянного тока и его КПД. Попытки обеспечить устойчивость дуги за счет увеличения фазового сдвига тока в цепи поджига до 80-90°, т.е. за счет увеличения в разы индуктивности ограничивающего дросселя, не приводят к положительному результату по причине неизбежного пропорционального снижения в этой цепи тока, значение которого также является критерием стабильности.In addition, due to the large currents flowing in the output choke, energy losses occur (100 W · sec or more), worsening the thermal regime of the power source of the DC welding arc and its efficiency. Attempts to ensure arc stability by increasing the phase shift of the current in the ignition circuit to 80-90 °, i.e. due to the increase in times the inductance of the limiting inductor, they do not lead to a positive result due to the inevitable proportional decrease in the current circuit, the value of which is also a criterion of stability.

Технический результат предлагаемого решения заключается в улучшении теплового режима с повышением надежности начального поджига и обеспечением устойчивости сварочной дуги, а также снижении массогабаритных показателей устройства и повышении его КПД.The technical result of the proposed solution is to improve the thermal regime with increasing the reliability of the initial ignition and ensuring the stability of the welding arc, as well as reducing the overall dimensions of the device and increasing its efficiency.

Технический результат достигается тем, что источник питания сварочной дуги постоянного тока содержит преобразователь управляющий, сварочный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с входом преобразователя управляющего, а вторичная обмотка сварочного трансформатора соединена с выходным выпрямителем, а также выходной дроссель, источник питания вольтдобавки в составе последовательно соединенных: вторичной обмотки поджига, ограничивающего дросселя и выпрямителя поджига. При этом он отличается тем, что минусовой выход выпрямителя поджига соединен с минусовым выводом выходного выпрямителя, выходной дроссель включен между плюсовым выводом выходного выпрямителя и плюсовым выходом выпрямителя поджига, причем плюсовой и минусовой выводы выходного выпрямителя соединены непосредственно с плюсовой и минусовой клеммами выходной сварочной цепи. Соединение минусового выхода выпрямителя поджига с минусовым выводом выходного выпрямителя и включение выходного дросселя между плюсовым выводом выходного выпрямителя и плюсовым выходом выпрямителя поджига обеспечивает наличие постоянной составляющей тока во вторичной сварочной цепи на уровне, задаваемом ограничивающим дросселем (10-15 А), в любой момент времени, что обеспечивает непрерывность сварочного тока, а значит, сохраняется и непрерывность (устойчивость) сварочной дуги.The technical result is achieved by the fact that the power source of the DC welding arc contains a control transformer, a welding transformer, the primary winding of which is connected to the input of the control transducer, and the secondary winding of the welding transformer is connected to the output rectifier, as well as an output inductor, a voltage supplement power supply as part of series-connected : secondary ignition coil, limiting inductor and ignition rectifier. Moreover, it differs in that the negative output of the ignition rectifier is connected to the negative output of the output rectifier, the output inductor is connected between the positive output of the output rectifier and the positive output of the ignition rectifier, the positive and negative outputs of the output rectifier connected directly to the positive and negative terminals of the output welding circuit. The connection of the minus output of the ignition rectifier with the minus output of the output rectifier and the inclusion of the output choke between the positive output of the output rectifier and the positive output of the ignition rectifier ensures the presence of a constant current component in the secondary welding circuit at the level set by the limiting inductor (10-15 A), at any time , which ensures the continuity of the welding current, which means that the continuity (stability) of the welding arc is maintained.

Изменение электрической схемы таким образом, что плюсовой и минусовой выводы выходного выпрямителя соединяются непосредственно с плюсовой и минусовой клеммами выходной сварочной цепи, исключает прохождение выходного сварочного тока через выходной дроссель, а потому он рассчитывается на ток, соответствующий току короткого замыкания в цепи поджига (15-20 А), задаваемый индуктивностью ограничивающего дросселя, то есть выходной дроссель имеет на порядок меньшие рабочий ток и площадь поперечного сечения сердечника, что существенно снижает массогабаритные показатели выходного дросселя, приводит к повышению КПД и улучшению теплового режима источника питания сварочной дуги постоянного тока в целом.Changing the electrical circuit so that the plus and minus terminals of the output rectifier are connected directly to the plus and minus terminals of the output welding circuit, eliminates the passage of the output welding current through the output inductor, and therefore it is calculated for the current corresponding to the short circuit current in the ignition circuit (15- 20 A), defined by the inductance of the limiting inductor, i.e. the output inductor has an order of magnitude lower operating current and the core cross-sectional area, which significantly reduces assogabaritnye indicators output inductor, resulting in higher efficiency and better heat supply mode DC arc welding in general.

В предлагаемом техническом решении увеличение индуктивности выходного дросселя для получения более устойчивой дуги не ограничивает ток в цепи источника вольтдобавки, что позволяет применять данное техническое решение в сварочных аппаратах, как инверторного типа, так и питающихся непосредственно от промышленной сети.In the proposed technical solution, increasing the inductance of the output inductor to obtain a more stable arc does not limit the current in the voltage source circuit, which allows the use of this technical solution in welding machines, both inverter type and powered directly from the industrial network.

Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом позволяет утверждать о соответствии критерию новизна, а отсутствие отличительных признаков в известных аналогах говорит о соответствии критерию изобретательский уровень.Comparison of the proposed technical solution with the prototype allows us to claim compliance with the criterion of novelty, and the absence of distinctive features in the known analogues indicates the compliance with the criterion of inventive step.

На чертеже представлена электрическая схема предложенного источника питания сварочной дуги постоянного тока.The drawing shows an electrical diagram of the proposed power source for a welding DC arc.

Источник питания сварочной дуги постоянного тока содержит преобразователь управляющий 1, сварочный трансформатор 2, первичная обмотка 3 которого соединена с входом преобразователя управляющего 1, а вторичная обмотка сварочного трансформатора 2 соединена с выходным выпрямителем 5, а также выходной дроссель 6, источник питания вольт-добавки, в составе последовательно соединенных вторичной обмотки поджига 7, ограничивающего дросселя 8 и выпрямителя поджига 9. При этом минусовой выход выпрямителя поджига 9 соединен с минусовым выводом выходного выпрямителя 5, выходной дроссель 6 включен между плюсовым выводом выходного выпрямителя 5 и плюсовым выходом выпрямителя поджига 9. Плюсовой и минусовой вывод выходного выпрямителя 5 соединен непосредственно с плюсовым 10 и минусовым 11 выходом вторичной сварочной цепи.The power source of the DC welding arc contains a control transducer 1, a welding transformer 2, the primary winding of which 3 is connected to the input of the control transformer 1, and the secondary winding of the welding transformer 2 is connected to the output rectifier 5, as well as the output inductor 6, the power source of the volt-additive as a part of the secondary ignition winding 7 connected in series, the limiting inductor 8 and the ignition rectifier 9. In this case, the negative output of the ignition rectifier 9 is connected to the negative output of the rectifier 5, the output choke 6 is connected between the positive output of the output rectifier 5 and the positive output of the ignition rectifier 9. The plus and minus output of the output rectifier 5 is connected directly to the plus 10 and minus 11 output of the secondary welding circuit.

Устройство работает следующим образом. Переменное напряжение промышленной частоты или переменное напряжение высокой частоты формируется преобразователем управляющим 1, подается на первичную обмотку 3 сварочного трансформатора 2 и регулируется преобразователем управляющим 1 в соответствии с заданным режимом сварки. Переменное напряжение с вторичной обмотки 4 сварочного трансформатора 2, выпрямленное выходным выпрямителем 5, подается непосредственно на выходные клеммы: плюсовую 10 и минусовую 11.The device operates as follows. An alternating voltage of industrial frequency or an alternating voltage of high frequency is generated by the control transducer 1, supplied to the primary winding 3 of the welding transformer 2 and regulated by the control transformer 1 in accordance with the specified welding mode. Alternating voltage from the secondary winding 4 of the welding transformer 2, rectified by the output rectifier 5, is supplied directly to the output terminals: plus 10 and minus 11.

Для поддержания непрерывности горения дуги в момент провалов выходного напряжения источник питания вольтдобавки, в составе последовательно соединенных вторичной обмотки поджига 7, ограничивающего дросселя 8 и выпрямителя поджига 9, формирует постоянное напряжение, поддерживающее ток в дуге порядка 10-15 А, чем и обеспечивается ее непрерывность и устойчивость. При этом основной сварочный ток снимается с вторичной обмотки 4 и выходного выпрямителя 5. Ограничение тока источника питания вольтдобавки происходит за счет индуктивного сопротивления ограничивающего дросселя 8.To maintain the continuity of arc burning at the time of the output voltage dips, the voltage-boosting power supply, as a part of the secondary ignition winding 7 connected in series, limiting inductor 8 and ignition rectifier 9, generates a constant voltage supporting the current in the arc of the order of 10-15 A, which ensures its continuity and sustainability. In this case, the main welding current is removed from the secondary winding 4 and the output rectifier 5. The current limitation of the power source of the voltage boost is due to the inductive resistance of the limiting inductor 8.

Индуктивность выходного дросселя 6 выбирается из условия получения на его выходе практически постоянного тока с приемлемыми пульсациями, то есть без провалов до нулевого уровня. Иначе дуга становится неустойчивой, с большим разбрызгиванием металла.The inductance of the output inductor 6 is selected from the condition of obtaining at its output an almost constant current with acceptable ripples, that is, without dips to a zero level. Otherwise, the arc becomes unstable, with a large spray of metal.

Обмотка поджига 7 сварочного трансформатора 2 имеет повышенное, по сравнению с вторичной обмоткой 4, напряжение для обеспечения уверенного поджига дуги в начальный момент сварки. Из анализа предложенного схемного решения видно, что основной сварочный ток не проходит через выходной дроссель 6, но при этом сохраняется надежный поджиг дуги и устойчивость ее горения. Преимуществом такого схемного решения по сравнению с аналогами является существенное снижение массогабаритных показателей выходного дросселя 6, приводящих к повышению КПД и улучшению теплового режима источника питания сварочной дуги постоянного тока в целом.The ignition winding 7 of the welding transformer 2 has a higher voltage than the secondary winding 4 to ensure reliable ignition of the arc at the initial moment of welding. An analysis of the proposed circuit solution shows that the main welding current does not pass through the output inductor 6, but at the same time, reliable ignition of the arc and the stability of its burning are preserved. The advantage of this circuit solution in comparison with analogues is a significant reduction in the overall dimensions of the output inductor 6, which leads to an increase in efficiency and an improvement in the thermal regime of the power source of the DC welding arc as a whole.

Claims

A power source for a direct current welding arc, comprising a control transformer, a welding transformer, the primary winding of which is connected to the input of the control transformer, and a secondary winding of the welding transformer connected to an output rectifier, an output inductor, a voltage supplement power supply as part of a secondary ignition winding that limits the inductor and ignition rectifier, characterized in that the negative output of the ignition rectifier is connected to the negative output of the output rectifier, the output choke is connected between the positive output of the output rectifier and the positive output of the ignition rectifier, and the positive and negative outputs of the output rectifier are connected directly to the positive and negative terminals of the output welding circuit.