RU2558808C2

RU2558808C2 - Gate rectifier for arc welding

Info

Publication number: RU2558808C2
Application number: RU2013152444/02A
Authority: RU
Inventors: Георгий Алексеевич Шадрин; Святослав Константинович Земан
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Магнит"
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2015-08-10
Also published as: RU2013152444A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to DC arc welding by consumable electrodes. Rectifier comprises transformer with primary connected to supply circuit and two secondaries. One of the latter is connected to asymmetric thyristor-diode rectifier bridge while another one is connected to control unit. Cutoff diodes are connected in series with thyristors of rectifier bridge. Commutating capacitor is connected in between connection points of said thyristors. Load, pulse transformer primary bridged by inverse diode and current transducer connected via protection unit with control unit are connected to DC bridge diagonal while resistor is set parallel with the load. One end of pulse transformer secondary with reservoir capacitor connected parallel therewith is connected via dinistor to connection point of rectifier bridge and opposite end is connected to that of bridge rectifier diodes.

EFFECT: perfected adjustment characteristic, minimised pulsations, decreased weight and sizes, high power performances.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области дуговой сварки металлов плавящимися электродами, в частности к электросварочным трансформаторам переменного тока.The invention relates to the field of arc welding of metals by consumable electrodes, in particular to electric welding transformers of alternating current.

Вентильный 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 для стартерного запуска двигателей автомобилей и зарядки аккумуляторный батарей.The valve rectifier can be used for welding metal structures and products of limited thickness during repair work in everyday life, during plumbing and in many areas of the national economy, as well as for starter starting car engines and charging rechargeable batteries.

Известен однофазный сварочный выпрямитель (см., например, патент РФ №2060126), содержащий силовой трансформатор, вторичная обмотка которого состоит из частей, два тиристора, два диода и двухсекционный дроссель, подключенные к частям вторичной обмотки, причем число витков вторичной обмотки выбрано исходя из условий получения максимального и минимального сварочного тока, обеспечивающих возбуждение и горение дуги.Known single-phase welding rectifier (see, for example, RF patent No. 2060126) containing a power transformer, the secondary winding of which consists of parts, two thyristors, two diodes and a two-section inductor connected to the parts of the secondary winding, and the number of turns of the secondary winding is selected based on conditions for obtaining maximum and minimum welding current, providing excitation and combustion of the arc.

Основным недостатком этого сварочного выпрямителя является сложность силовой схемы и схемы управления, вследствие чего - невысокая надежность и большие потери в элементах выпрямительного устройства.The main disadvantage of this welding rectifier is the complexity of the power circuit and control circuit, resulting in low reliability and large losses in the elements of the rectifier device.

Известен тиристорный регулятор для ручной дуговой сварки металлическими электродами (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.Known thyristor regulator for manual arc welding with metal electrodes (http://scilab.narod.ru/svarreg.html article by A. Polushkin “Thyristor regulator for welding transformer”), containing a transformer with a primary winding connected to a single-phase supply network, a secondary power a winding loaded on an asymmetric diode-thyristor bridge rectifier, and two additional windings with bridge rectifiers to power the control unit circuits, and a voltage doubler.

Недостатками такого выпрямителя для дуговой сварки являются: большие пульсации выпрямленного напряжения из-за отсутствия дросселя, потери в балластных сопротивлениях, низкий КПД, а также неоптимальная схема управления.The disadvantages of such a rectifier for arc welding are: large ripples of the rectified voltage due to the absence of a choke, loss in ballast resistances, low efficiency, as well as a non-optimal control circuit.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому эффекту является сварочный выпрямитель для дуговой сварки, выбранный в качестве прототипа (патент RU №2441734).The closest in technical essence and the achieved technical effect is a welding rectifier for arc welding, selected as a prototype (patent RU No. 2441734).

Вентильный выпрямитель содержит блок фазового управления, многообмоточный трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к однофазной питающей сети, и три вторичные обмотки, одна из которых нагружена на несимметричный диодно-тиристорный выпрямитель с коммутирующим конденсатором, вторая - на диодный мост блока стабилизации дуги, а третья - на блок управления с блоком защиты, причем одноименные электроды тиристоров через трансформатор тока и дроссель соединены с нагрузкой и блоком стабилизации дуги.The rectifier rectifier contains a phase control unit, a multi-winding transformer with a primary winding connected to a single-phase supply network, and three secondary windings, one of which is loaded on an asymmetric diode-thyristor rectifier with a switching capacitor, the second on the diode bridge of the arc stabilization unit, and the third - to the control unit with a protection unit, and the thyristor electrodes of the same name are connected to the load and the arc stabilization unit via a current transformer and a choke.

Недостатками прототипа являются сложность конструкции, большая габаритная мощность трансформатора, невысокая стабильность горения дуги.The disadvantages of the prototype are the design complexity, large overall power of the transformer, low stability of the arc.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение выпрямителя, снижение габаритной мощности силового трансформатора, получение более эффективной регулировочной характеристики, повышение стабильности горения дуги.The aim of the invention is to simplify the rectifier, reduce the overall power of the power transformer, obtain a more effective control characteristic, increase the stability of the arc.

Поставленная цель достигается тем, что в вентильный выпрямитель для дуговой сварки, содержащий однофазный трехобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, одна вторичная обмотка соединена с блоком управления и защиты, а другая - нагружена на несимметричный тиристорно-диодный выпрямитель, и датчик тока, соединенный через блок защиты с блоком управления, в котором последовательно с тиристорами смежного плеча установлены отсекающие диоды и коммутирующий конденсатор между их одноименными электродами, введен импульсный трансформатор, который подключен первичной обмоткой, зашунтированной обратным диодом, между одноименными электродами тиристоров и диодов моста через датчик тока и нагрузку, а его вторичная обмотка нагружена на накопительный конденсатор и через динистор подключена к зажимам нагрузки, причем параллельно нагрузке установлен резистор.This goal is achieved by the fact that in a valve rectifier for arc welding containing a single-phase three-winding transformer, the primary winding of which is connected to the mains, one secondary winding is connected to the control and protection unit, and the other is loaded on an asymmetric thyristor-diode rectifier, and a current sensor connected through a protection unit to a control unit in which cut-off diodes and a switching capacitor are installed in series with the thyristors of the adjacent arm between their electrodes of the same name, is led pulse transformer which is connected the primary winding shunted by a reverse diode between the same electrodes of the thyristors and diodes bridge across the current sensor and the load, and its secondary winding is loaded by the storage capacitor and through the Shockley diode is connected to the terminals of the load, and parallel to the load resistor set.

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 вентильном выпрямителе для дуговой сварки, и признать заявляемое решение соответствующим критерию «Существенные отличия».Analysis of the known technical solutions in the field of DC power supplies (rectifiers) for arc welding allows us to conclude that there are no signs similar to the essential features in the inventive valve rectifier for arc welding, and to recognize the claimed solution meets the criterion of "Significant differences".

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 открытый тиристор и перезаряжается током нагрузки до амплитудного значения напряжения силовой вторичной обмотки. Один и тот же тиристорно-диодный ключ в течение полупериода выполняет поочередно функции регулирующего ключа и нулевого вентиля.The essence of the invention lies in the fact that the rectifier thyristors are switched according to a predetermined algorithm and the conducting thyristor can be locked at any time, preventing a possible short circuit in the load circuit. This mode is provided by the stored energy of the capacitor, which in the previous half-cycle is charged to the amplitude value of the supply voltage. When the switching thyristor is unlocked, the capacitor discharges and locks the open thyristor and is recharged by the load current to the amplitude value of the voltage of the power secondary winding. The same thyristor-diode key for half a time performs alternately the functions of the control key and the zero valve.

Для зажигании дуги используются импульсы, коммутирующие тиристоры, а для повышения надежности горения дуги в выпрямителе используется энергия накопительного конденсатора, заряжаемого от импульсного трансформатора.Pulses switching thyristors are used to ignite the arc, and to increase the reliability of arc burning in the rectifier, the energy of the storage capacitor charged from a pulse transformer is used.

На фиг.1 приведена принципиальная схема вентильного выпрямителя для дуговой сварки, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы выпрямителя.Figure 1 shows a schematic diagram of a valve rectifier for arc welding, and figure 2 is a timing diagram explaining the principle of operation of the rectifier.

Однофазный вентильный выпрямитель содержит силовой трансформатор 1, с первичной обмоткой 2, подключенной к питающей сети, и двумя вторичными обмотками 3 и 4. К силовой вторичной обмотке 3 подключен несимметричный диодно-тиристорный мостовой выпрямитель. Другая вторичная обмотка 4 предназначена для питания блока 5 управления, связанного с блоком защиты 6. К общему зажиму 7, образованному катодами (или анодами) тиристоров 8 и 9 несимметричного мостового выпрямителя, через датчик тока 10 подключен одним выводом импульсный трансформатор 11, соединенный с нагрузкой 12. Второй заземленный вывод образован общей точкой встречно-соединенных диодов 13 и 14 и является минусом нагрузки 12. Последовательно с тиристорами 8 и 9 включены отсекающие диоды 15 и 16, между общими точками соединения которых подключен коммутирующий конденсатор 17.A single-phase rectifier rectifier comprises a power transformer 1, with a primary winding 2 connected to the supply network, and two secondary windings 3 and 4. An asymmetric diode-thyristor bridge rectifier is connected to the power secondary winding 3. Another secondary winding 4 is designed to power the control unit 5 connected to the protection unit 6. To the common terminal 7 formed by the cathodes (or anodes) of the thyristors 8 and 9 of the asymmetric bridge rectifier, a pulse transformer 11 connected to the load via one current terminal is connected to a terminal 12. The second grounded terminal is formed by the common point of the counter-connected diodes 13 and 14 and is a minus of the load 12. In series with the thyristors 8 and 9, cut-off diodes 15 and 16 are connected, between the common connection points of which are connected to mutating capacitor 17.

Первичная обмотка 18 импульсного трансформатора 11 зашунтирована обратным диодом 19, а его вторичная обмотка 20 нагружена на накопительный конденсатор 21 и через динистор 22 соединена с зажимом 7 (плюсом). Параллельно нагрузке 12 подключен резистор 23.The primary winding 18 of the pulse transformer 11 is shunted by the reverse diode 19, and its secondary winding 20 is loaded on the storage capacitor 21 and connected through the dynistor 22 to the clamp 7 (plus). In parallel with the load 12, a resistor 23 is connected.

Блок защиты 6 входом подсоединен к датчику тока 12, выполненному, например, на резистивном шунте с усилителем или на основе эффекта Холла фирмы LEM типа LT200P, а выходом подключен к блоку управления 5 на базе широтно-импульсного модулятора (ШИМ). Сигнал датчика тока 10 сравнивается с опорным напряжением U_ОП, и разностный сигнал поступает на вход блока 5 управления ШИМом. Последний выполнен на сравнении пилообразного напряжения с постоянным напряжением U_У.The protection unit 6 is connected by an input to a current sensor 12 made, for example, on a resistive shunt with an amplifier or based on the LEM type LT200P Hall effect, and connected to a control unit 5 based on a pulse-width modulator (PWM) as an output. The signal of the current sensor 10 is compared with the reference voltage U _OP , and the difference signal is fed to the input of the PWM control unit 5. The latter is made by comparing a sawtooth voltage with a constant voltage U _U.

Суть работы выпрямителя при фазовом управлении по моменту включения регулирующего ключа состоит в следующем.The essence of the rectifier during phase control at the time of switching on the control key is as follows.

В исходном состоянии полярность зарядки конденсатора 17 показана на фиг.1. В положительный полупериод напряжения питающей сети (начало на обмотке 3 обозначено точкой) в момент α=0 ШИМ-импульсом с блока управления 5 открывается тиристор 9. Коммутирующий конденсатор 17, разряжаясь по цепи: +17-9-18-10-23-14-16-минус 17, перезаряжается обратной полярностью. При касании электродом детали образуется короткозамкнутый контур нагрузки: 9-18-10-12-13-15-9. На интервале 0≤α≤α_К ток 24 спадает по экспоненте, рассеиваясь на активных сопротивлениях контура.In the initial state, the charging polarity of the capacitor 17 is shown in FIG. In the positive half-cycle of the supply voltage (the beginning on the winding 3 is indicated by a dot) at the moment α = 0 with a PWM pulse, the thyristor 9 opens from the control unit 5. The switching capacitor 17, discharging along the circuit: + 17-9-18-10-23-14 -16-minus 17, recharged with reverse polarity. When the electrode touches the part, a short-circuited load circuit is formed: 9-18-10-12-13-15-15-9. In the interval 0≤α≤α _{K, the} current 24 decreases exponentially, scattering on the active resistances of the circuit.

При заданном угле коммутации α=α_К импульсом ШИМ с блока управления 5 отпирается тиристор 8 (фиг.1 и 2, г) и в диапазоне α_К≤α≤φ избыточная электромагнитная энергия нагрузки, протекая встречно с напряжением сети по цепи: 16-8-18-10-12-13 - обмотка 3, возвращается в сеть (фиг.2, а). В момент α=φ перехода тока 25 через нуль открывается тиристор 9 и в диапазоне φ≤α≤π по цепи: обмотка 3-15-9-18-10-12-14 - из сети потребляется ток 25. Коммутирующий конденсатор 17 перезаряжается по контуру: +17-9-18-10-12-14-16 - минус 17, при этом к нагрузке 12 прикладывается разрядный импульс, зажигающий дуги. Ток 26 нагрузки 12 представляет собой сумму токов 24 и 25, протекающих по вторичной обмотке 2 и силовым элементам выпрямителя, а на обмотке 3 формируется напряжение 27. Коммутирующий импульс, амплитудой около 300 В, поджигает дугу. При высокой разности потенциалов между электродом и изделием нагрузки 12 воздух, ионизируясь, становится проводником тока, дуга загорается и длительно горит. Кроме того, протекающий по импульсному трансформатору 11 ток 26 наводит в его вторичной обмотке 20 ЭДС, заряжающую накопительный конденсатор 21. При напряжении пробоя динистор 22 отпирается, и энергия накопительного конденсатора 21, амплитудой 40-60 В, поддерживает стабильное горение дуги.For a given angle of switching α = α _{K, the} thyristor 8 is unlocked from the control unit 5 with a PWM pulse (Figs. 1 and 2, d) and in the range α _K ≤α≤φ the excess electromagnetic energy of the load flowing counter to the mains voltage along the circuit: 8-18-10-12-13 - winding 3, returns to the network (Fig.2, a). At the moment α = φ of the current 25 passing through zero, the thyristor 9 opens and in the range φ≤α≤π along the circuit: winding 3-15-9-18-10-12-14 - current 25 is drawn from the network. The switching capacitor 17 is recharged circuit: + 17-9-18-10-12-14-16-16 - minus 17, while a discharge pulse is applied to load 12, igniting the arcs. The current 26 of the load 12 is the sum of the currents 24 and 25 flowing along the secondary winding 2 and the power elements of the rectifier, and a voltage 27 is formed on the winding 3. The switching pulse, with an amplitude of about 300 V, ignites the arc. With a high potential difference between the electrode and the load product 12, the air, being ionized, becomes a current conductor, the arc ignites and burns for a long time. In addition, the current 26 flowing through the pulse transformer 11 induces an EMF in its secondary winding 20, which charges the storage capacitor 21. At the breakdown voltage, the dynistor 22 is unlocked, and the energy of the storage capacitor 21, with an amplitude of 40-60 V, maintains stable arc burning.

В отрицательном полупериоде с момента α=π открывается тиристор 8, коммутирующий конденсатор 17 запирает тиристор 9, перезаряжаясь полярностью, показанной в скобках на Фиг.1. В диапазоне π≤α≤π+α_К образуется коротко замкнутый контур нагрузки 12, по которому протекает ток 24. В последний момент, согласно алгоритму рис.2, б, повторно отпирается тиристор 9, и образуется контур рекуперации электромагнитной энергии. К нагрузке 12 прикладывается коммутирующий и разрядный импульсы, зажигающие и поддерживающие горение дуги импульсы. На интервале π+φ≤α≤2π открыты тиристор 8 и диод 13. Далее процессы повторяются.In the negative half-cycle from the moment α = π, the thyristor 8 opens, the switching capacitor 17 closes the thyristor 9, recharging with the polarity shown in brackets in FIG. 1. In the range π≤α≤π + α _K , a short-circuited load circuit 12 is formed, along which current 24 flows. At the last moment, according to the algorithm in Fig. 2, b, thyristor 9 is re-opened and an electromagnetic energy recovery circuit is formed. A switching and discharge pulses are applied to the load 12, igniting and supporting pulses burning the arc. On the interval π + φ≤α≤2π, thyristor 8 and diode 13 are open. Next, the processes are repeated.

По нагрузке протекает выпрямленный ток 28, практически сглаженный. В отрицательном полупериоде напряжения обмотки 3 процессы повторяются с той лишь разницей, что дважды отпирается тиристор 8, и вступают в работу диоды 13 и 16. Выпрямленное напряжение 28 нагрузки 16 определяется по формулеRectified current 28, almost smoothed, flows through the load. In the negative half-period of the voltage of the winding 3, the processes are repeated with the only difference being that the thyristor 8 is twice turned on and the diodes 13 and 16 come into operation. The rectified voltage 28 of the load 16 is determined by the formula

$U_{d} = \frac{U_{m}}{π} (1 + \cos α_{k})$

U_{d} = \frac{U_{m}}{π} (one + \cos α_{k})

Из уравнения видно, что при α_К=60° (отсчет от α=π) и амплитуде U_m=50 В выпрямленное напряжение не более 7,96 В. Это говорит о том, что предлагаемый выпрямитель может использоваться и как зарядное устройство, и как стартер для запуска автомобильных двигателей.It can be seen from the equation that at α _K = 60 ° (reading from α = π) and the amplitude U _m = 50 V, the rectified voltage is not more than 7.96 V. This suggests that the proposed rectifier can be used as a charger and as a starter for starting car engines.

Из описания следует, что предлагаемый выпрямитель обладает широкими функциональными возможностями, высокими энергетическими и массогабаритными показателями, высокой надежностью.From the description it follows that the proposed rectifier has wide functionality, high energy and weight and size indicators, high reliability.

Claims

Arc rectifier for arc welding, containing a single-phase three-winding transformer, the primary winding of which is connected to the supply network, one secondary winding is connected to the control unit and the other is connected to an asymmetric thyristor-diode bridge rectifier, a current sensor connected to one of the load terminals and through the unit protection with a control unit, while in series with the thyristors of the said bridge rectifier, cut-off diodes are installed, between the connection points of which are connected to the thyristors a switching capacitor, the connection point of the diodes of the bridge rectifier is connected to another terminal of the load, and a resistor is installed between the terminals of the load, characterized in that it is equipped with a pulse transformer that is connected by a primary winding shunted by a reverse diode between the connection point of the thyristors of the bridge rectifier and the current sensor, and its secondary winding, in parallel with which a storage capacitor is installed, is connected through a dynistor to the connection point of the thyristors of a bridge rectifier, and to another end - to the junction point of the bridge rectifier diodes.