Однофазный выпрямитель инверторного типа для дуговой сварки

Устройство содержит соединенные последовательно блок защиты и плавного пуска, сетевой выпрямитель, преобразователь инверторного типа с силовым блоком, выполненным на базе силового трансформатора, выходной выпрямитель с дросселем. Сердечники силового трансформатора и дросселя выполнены из феррита в форме тора. В радиальных плоскостях тора выполнено, по меньшей мере, два зазора, различных по своей высоте относительно оси тора и в которых установлены диэлектрические вставки. Устройство позволяет увеличить КПД, ПВ, уменьшить массогабаритные характеристики. 3 д.п. ф-лы, 4 черт.

Полезная модель к сварочным источникам питания инверторного типа и может быть использована для сварки в строительстве, производстве и быту.

Известен синергетический сварочный дроссель, содержащий броневой или стержневой сердечник-магнитопровод с зазором и силовую обмотку на стержне, включенную последовательно в сварочную цепь, причем сердечник дросселя выполнен из двух или более пакетов с разъемом в поперечной плоскости стержней, а части сердечника установлены относительно плоскости разъема с зазорами, которые заполнены немагнитным материалом, причем высота зазоров разная, а средние линии всех зазоров совпадают (Патент РФ №2041037, В 23 К 9/00, опубл. 09.08.1995).

Ограничением этого устройства является то, что сердечник выполнен в виде пакетов пластин из электротехнической стали, что усложняет конструкцию и повышает трудоемкость его изготовления. Кроме того, сердечники из электротехнической стали и из феррита имеют различные технические характеристики, отличаются физическими принципами их работы, т.е. являются несопоставимыми по ряду эксплуатационных параметров. В процессе проведенного патентного поиска разъемных сердечников из феррита, используемых в дросселях или трансформаторах, не было обнаружено.

Наиболее близком для заявленного устройства является однофазный выпрямитель инверторного типа для дуговой сварки, содержащий соединенные последовательно блок защиты и плавного пуска, предназначенный для подключения к сети, сетевой выпрямитель, преобразователь инверторного типа с силовым блоком, выполненным на базе, по меньшей мере, одного трансформатора, выходной выпрямитель с дросселем (Ж-л «Оборудование: рынок, предложение, цены» №11 (83), ноябрь 2003 г. Валерий Райский «Малогабаритные сварочные инверторы для монтажных работ» стр.54-57).

Это устройство собрано по распространенной типовой, «классической», функциональной схеме. В блочном виде схема выпрямителя инверторного типа известна по многочисленным публикациям, рекламным материалам и широко применяется в технике. Ограничением такого типа устройств является то, что при выполнении сердечника-магнитопровода трансформатора и дросселя сплошными невозможно производить регулировку технико-эксплуатационных характеристик

выпрямителя, повысить его КПД и ПВ % при обеспечении минимальных массогабаритных показателей и высокой надежности в работе.

Решаемая полезной моделью задача - повышение технико-эксплуатационных характеристик.

Технический результат, Который может быть получен при выполнении полезной модели, - повышение КПД и ПВ % при уменьшении массы и габаритов.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном однофазном выпрямителе инверторного типа для дуговой сварки, содержащем соединенные последовательно блок защиты и плавного пуска, предназначенный для подключения к сети, сетевой выпрямитель, преобразователь инверторного типа с силовым блоком, выполненным на базе силового трансформатора, выходной выпрямитель с дросселем, согласно заявленной конструкции сердечники силового трансформатора и дросселя выполнены из феррита в форме тора, причем в радиальных плоскостях тора выполнено, по меньшей мере, два зазора, различных по своей высоте относительно оси тора и в которых установлены диэлектрические вставки.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:

- блок защиты и плавного пуска был выполнен из резистора, реле и блока управления реле, при этом один вывод резистора служит входом блока защиты и плавного пуска, предназначенным для подключения к сети, а другой вывод резистора подсоединен через реле к блоку управления реле и к сетевому выпрямителю, преобразователь инверторного типа с силовым блоком был выполнен из блока сглаживающих фильтров, блока управления, выполненного с частотным регулированием, силового блока, выполненного из согласующего трансформатора, токового трансформатора, резистора регулировки сварочного тока, полумостового инвертора, выполненного на транзисторах, регулирующего дросселя, силового трансформатора, при этом вход блока сглаживающих фильтров подсоединен к выходу сетевого выпрямителя, а его выход - к первому входу блока управления, выход которого подсоединен к входу согласующего трансформатора, одна выходная обмотка которого подсоединена к входу токового трансформатора, а другая - к входу полумостового инвертора, выход согласующего трансформатора подсоединен через резистор регулировки сварочного тока по цепи обратной связи ко второму входу блока управления, выход полумостового инвертора

подсоединен через регулирующий дроссель к входу силового трансформатора, выход которого служит выходом преобразователя инверторного типа, выходной выпрямитель с дросселем был выполнен в виде параллельной цепи из силового выпрямителя и дополнительного выпрямителя, при этом выход преобразователя инверторного типа подсоединен к входу силового выпрямителя непосредственно, а к входу дополнительного выпрямителя через дроссель, выходы силового выпрямителя и дополнительного выпрямителя объединены и служат выходом однофазного выпрямителя инверторного типа для дуговой сварки;

- сердечник регулирующего дросселя был выполнен из феррита в форме тора, причем в радиальных плоскостях тора выполнено, по меньшей мере, два зазора, различных по своей высоте относительно продольной оси тора и в которых установлены диэлектрические вставки;

- были введены термодатчик и блок индикации, термодатчик подключен к дополнительному выпрямителю и к входу блока индикации, выход которого подсоединен к третьему входу блока управления.

Указанные преимущества, а также особенности настоящей полезной модели поясняются лучшим вариантом ее выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 изображает функциональную схему устройства, обобщенную;

фиг.2 - то же, что фиг.1, конкретизированную;

фиг.3 - продольное сечение используемых силового трансформатора или дросселя;

фиг.4 - циклограмма тока с участком насыщения.

Однофазный выпрямитель инверторного типа для дуговой сварки (фиг.1, 2) содержит соединенные последовательно блок 1 защиты и плавного пуска, предназначенный для подключения к сети, сетевой выпрямитель 2, преобразователь 3 инверторного типа с силовым блоком 4, выполненным на базе силового трансформатора 5, выходной выпрямитель 6 с дросселем 7. Сердечники 8 силового трансформатора 5 и дросселя 7 выполнены из феррита в форме тора (фиг.3). В радиальных плоскостях тора сердечника 8 выполнено, по меньшей мере, два зазора, различных по своей высоте относительно оси тора и в которых установлены диэлектрические вставки 9.

В конкретном варианте выполнения устройства (фиг.2) блок 1 защиты и плавного пуска выполнен из резистора 10, реле 11 и блока 12 управления реле. Один вывод резистора 10 служит входом блока 1, предназначенным для

подключения к сети. Другой вывод резистора 10 подсоединен через реле 11 к блоку 12 управления реле и к сетевому выпрямителю 2. Преобразователь 3 инверторного типа с силовым блоком 4 выполнен из блока 13 сглаживающих фильтров, блока 14 управления, выполненного с частотным регулированием. Силовой блок 4 выполнен из согласующего трансформатора 15, токового трансформатора 16, резистора 17 регулировки сварочного тока, полумостового инвертора 18, выполненного на транзисторах, регулирующего дросселя 19, силового трансформатора 5 (понижающего). Вход блока 13 сглаживающих фильтров подсоединен к выходу сетевого выпрямителя 2, а его выход - к первому входу блока 14 управления. Выход блока 14 управления подсоединен к входу согласующего трансформатора 15, одна выходная обмотка которого подсоединена к входу токового трансформатора 16, а другая - к входу полумостового инвертора 18. Выход согласующего трансформатора 15 подсоединен через резистор 17 регулировки сварочного тока по цепи обратной связи ко второму входу блока 14 управления. Выход полумостового инвертора 18 подсоединен через регулирующий дроссель 19 к входу силового трансформатора 5. Выход силового трансформатора 5 служит выходом преобразователя 3. Выходной выпрямитель 6 с дросселем 7 выполнен в виде параллельной цепи из силового выпрямителя 20 и дополнительного выпрямителя 21. Выход преобразователя 3 подсоединен к входу силового выпрямителя 20 непосредственно, а к входу дополнительного выпрямителя 21 - через дроссель 7. Выходы силового выпрямителя 20 и дополнительного выпрямителя 21 объединены и служат выходом заявленного устройства - однофазного выпрямителя инверторного типа для дуговой сварки.

Сердечник 8 регулирующего дросселя 19 для расширения диапазона регулирования и упрощения регулировки также может быть выполнен из феррита в форме тора (фиг.3). Причем в радиальных плоскостях тора выполнено, по меньшей мере, два зазора, различных по своей высоте относительно продольной оси тора и в которых установлены диэлектрические вставки 9.

Кроме того, в схему могут быть введены термодатчик 22 и блок 23 индикации. Термодатчик 22 подключен к дополнительному выпрямителю 21 и к входу блока 23 индикации, выход которого подсоединен к третьему входу блока 14 управления.

Работает однофазный выпрямитель инверторного типа для дуговой сварки (фиг.1, 2) следующим образом.

Преобразователь 3 предназначен для преобразования выпрямленного напряжения блоком 1 напряжения в напряжение переменного тока высокой частоты. После подачи питающего напряжения через выключатель оно поступает через резистор 10 блока 1 защиты и плавного пуска на сетевой выпрямитель 2. Блок 1 защиты и плавного пуска обеспечивает защиту блока 14 управления преобразователя 3 при первичном включении, а также обеспечивает скачкообразную передачу напряжения на него, что обеспечивает подачу нормальных по частоте и амплитуде выходных импульсов.

Сетевой выпрямитель 2 служит для преобразования питающего напряжения 220 В в постоянный ток. Выпрямленное напряжение поступает на сглаживающий фильтр 13, конденсаторы которого плавно заряжаются. Через некоторое заданное время срабатывает реле 11 блока 1, которое своими контактами шунтирует резистор 10, после чего конденсаторы сглаживающего фильтра 13 быстро дозаряжаются до выходного напряжения сетевого выпрямителя. Через 50...100 мс после зарядки конденсаторов сглаживающего фильтра 13 срабатывает блок индикации 23, который подает напряжение питания на третий вход блока 14 управления. Блок 14, как и в других известных выпрямителях инверторного типа с частотным регулированием, состоит из следующих узлов:

- генератора импульсов;

- задатчика частоты импульсов;

- формирователя выходных импульсов.

Генератор импульсов обеспечивает стабильное по амплитуде напряжение переменного тока с частотой, на которой работает преобразователь 3 напряжения. Формирователь выходных импульсов усиливает импульсы, поступающие от генератора импульсов, и формирует их амплитуду. Задатчик частоты меняет частоту генератора импульсов в сторону увеличения частоты. Частота задатчика определяется величиной напряжения получаемого с токового трансформатора 16.

В результате преобразователь 3 включается в работу и на выходе выпрямителя появляется напряжение.

Таким образом, заряжаются до полного напряжения конденсаторы сетевого выпрямителя 3, а затем напряжение с этих конденсаторов скачком (через контакты реле 11) поступает на блок 14 управления. То есть сразу на схему блока 14 управления подается полное напряжение, что обеспечивает подачу нормальных по

амплитуде и частоте выходных импульсов блока 14 управления на трансформаторы 5, 15, 16 преобразователя 3, а, следовательно, надежную их работу.

Термодатчик 22 предназначен для контроля рабочей температуры, при которой работают силовые транзисторы и диоды. Сигнал от термодатчика 22 передается на блок 23 индикации, светодиоды которого выведены на лицевую панель устройства, он же дает команду на отключение устройства в случае его перегрева и на включение при остывании. Термодатчик 22 обеспечивает снижение температуры для охлаждения до 65°С и исключает частые включения преобразователя 3 при больших токах нагрузки.

Если происходит перегрев термодатчика 22, то размыкается его нормально замкнутый контакт, при этом срабатывает блок 23 индикации, после чего обесточивается блок 14 управления, вследствие чего силовые транзисторы полумостового инвертора 18 закрываются и выходное напряжение преобразователя 3 уменьшается до нуля.

Преобразователь 3 охлаждается и после снижения его температуры до допустимого контакт термодатчика 22 замыкается, срабатывает блок 23 индикации, блок 14 управления, получив питание, включает в работу преобразователь 3 и на выходе вновь появляется напряжение.

Таким образом, термодатчик 22 срабатывает всякий раз, как температура охладителя преобразователя 3 снизится до допустимого уровня. Это позволяет исключить частые отключения преобразователя 3 при больших токах нагрузки.

Другим входным сигналом для блока 14 управления является сигнал, получаемый от токового трансформатора 16. Изменение этого сигнала осуществляется посредством изменения сопротивления резистора 17, включенного в выходную обмотку токового трансформатора 16.

Величина сигнала, поступающая в блок 14 управления, определяется также значением тока в первичной обмотке токового трансформатора 16, что обеспечивает формирование рабочего участка крутопадающей вольтамперной характеристики устройства.

То есть при увеличении тока нагрузки устройства ток в цепи первичной обмотки согласующего трансформатора 15 также увеличивается, а, следовательно, увеличивается ток в последовательно включенной с первичной обмоткой согласующего трансформатора 15 первичной обмотке токового трансформатора 16, следовательно, увеличивается напряжение при нагрузке его вторичной обмотки.

Увеличение напряжения на вторичной обмотке токового трансформатора 16 приводит к увеличению частоты задатчика частоты блока 14 управления. Выходные импульсы формирователя выходных импульсов блока 14 управления прикладываются к обмоткам согласующего трансформатора 15 в разнесенные между собой моменты времени и перемагничивают сердечник согласующего трансформатора 15 в противоположном направлении. С вторичной обмотки согласующего трансформатора 15 импульсы поступают в полумостовой инвертор 18.

В устройстве применена полумостовая схема инвертора 18 на транзисторах, имеющая следующие преимущества:

- меньшее число силовых транзисторов, а следовательно уменьшено число сложных силовых элементов требующих охлаждения и затрат для обеспечения параметров управляющих импульсов, а также введения цепочек шунтирования;

- меньшее подмагничивание сердечника силового трансформатора 5 постоянной составляющей результирующего тока первичной обмотки, что приводит к увеличению всплесков тока в коллекторах транзисторов и их нагреву.

При работе полумостового инвертора 18 за счет открывания-закрывания силовых транзисторов его цепочки поочередно подключаются к плюсу и минусу выходного напряжения сетевого выпрямителя 2. В результате на вторичной обмотке силового трансформатора 5 наводится напряжение переменного тока. Силовой трансформатор 5 имеет силовые вторичные обмотки, подключенные к силовому выпрямителю 20, пропускающему основной ток нагрузки и дополнительные обмотки. Дополнительные обмотки подключены через дроссель 7 и дополнительный выпрямитель 21 к выходу устройства. Дополнительные обмотки выполнены на более высокое напряжение, чем силовые обмотки. Дроссель 7 выполняет функцию ограничения тока, обеспечивая устойчивость дуги и стабильность ее поджига.

Технической особенностью данной полезной модели является одновременное выполнение сердечника 8 силового трансформатора 5 и дросселя 7 из феррита в форме тора (фиг.3). При этом в радиальных плоскостях тора выполнено, по меньшей мере, два зазора, различных по своей высоте относительно оси тора (используется «колотые» ферритовые кольца) и в которых установлены диэлектрические вставки 9. Такое исполнение создает совместный эффект при работе схемы в целом. Использование технологии

"колотых" ферритов ставит своей целью уменьшение индуктивности сердечников 8 и доведения ее до величины соответствия выбранной схеме регулирования сварочным током, которое является частотным и определяется задающим частотным генератором.

Таким образом, реализуется схема, позволяющая при минимальных размерах ферритных сердечников 8 обеспечить их работу с максимальными нагрузками, т.е. с максимальными сварочными токами, чего можно добиться, изменяя их индуктивность. Это позволяет перемещать насыщаемость их в зону частот, соответствующих номинальному сварочному току, то есть обеспечивается соответствие частоты задающего генератора частоте насыщаемости сердечников 8, причем зона частоты насыщения соответствует номинальному сварочному току. Подбор индуктивности ферритов осуществляется за счет их расколки на несколько частей, и изоляции этих частей друг от друга с определенным зазором. Для получения положительного эффекта число зазоров, как показали экспериментальные исследования, всегда не менее двух, а для получения максимально улучшенных технико-эксплуатационных характеристик устройства, число зазоров (и соответственно, диэлектрических вставок 9) может быть выбрано различным.

Так ферриты силового трансформатора 5 раскалываются на четыре части, и каждая часть изолируется друг от друга изоляционным материалом с зазором от 0,1 до 0,2 мм. Ферриты дросселей 7, 19 раскалываются на 10 частей, и высота зазоров составляет 2-3 мм. После изоляции частей диэлектрическими вставками 9 ферриты оклеиваются. Увеличение зазора ведет к уменьшению индуктивности и увеличению частоты, уменьшение зазора ведет к увеличению индуктивности и уменьшению частоты. Таким образом, меняя зазор, подбирается оптимальная индуктивность, которой соответствует точка насыщения сердечника 8, лежащая в зоне оптимальной частоты, при которой реализуется номинальный сварочный ток. На фиг.4 кружком с выноской показана область А - область насыщения тока.

Намотка катушек силового трансформатора 5 и дросселей 7, 19 с целью снижения температуры нагрева проводов и обеспечения максимальной плотности тока по сечению может осуществляться проводами, свитыми в стреньги.

Благодаря регулировке и тщательно подобранным соотношениям по намагничиванию сердечников 8 силовой части, частот работы задающего генератора и частот, в зоне работы которых лежит работа силового трансформатора 5 и дросселей

7, 19, удается достичь реализации больших сварочных токов, не вызывая перегрузок в коммутационных цепях преобразователя 3 и позволяя работать устройству в длительном режиме с ПВ - (время непрерывной работы в заданном цикле) до 100%, и с повышением КПД-до 95%, по сравнению с обычными выпрямителями инверторного типа. Причем массогабаритные параметры заявленного устройства уменьшены на 20-25%.

Наиболее успешно заявленный однофазный выпрямитель инверторного типа для дуговой сварки промышленно применим для проведения сварочных работ в промышленности и в быту.

1. Однофазный выпрямитель инверторного типа для дуговой сварки, содержащий соединенные последовательно блок защиты и плавного пуска, предназначенный для подключения к сети, сетевой выпрямитель, преобразователь инверторного типа с силовым блоком, выполненным на базе силового трансформатора, выходной выпрямитель с дросселем, отличающийся тем, что сердечники силового трансформатора и дросселя выполнены из феррита в форме тора, причем в радиальных плоскостях тора выполнено, по меньшей мере, два зазора, различных по своей высоте относительно оси тора и в которых установлены диэлектрические вставки.

2. Однофазный выпрямитель по п.1, отличающийся тем, что блок защиты и плавного пуска выполнен из резистора, реле и блока управления реле, при этом один вывод резистора служит входом блока защиты и плавного пуска, предназначенным для подключения к сети, а другой вывод резистора подсоединен через реле к блоку управления реле и к сетевому выпрямителю, преобразователь инверторного типа с силовым блоком выполнен из блока сглаживающих фильтров, блока управления, выполненного с частотным регулированием, силового блока, выполненного из согласующего трансформатора, токового трансформатора, резистора регулировки сварочного тока, полумостового инвертора, выполненного на транзисторах, регулирующего дросселя, силового трансформатора, при этом вход блока сглаживающих фильтров подсоединен к выходу сетевого выпрямителя, а его выход - к первому входу блока управления, выход которого подсоединен к входу согласующего трансформатора, одна выходная обмотка которого подсоединена к входу токового трансформатора, а другая - к входу полумостового инвертора, выход токового трансформатора подсоединен через резистор регулировки сварочного тока по цепи обратной связи ко второму входу блока управления, выход полумостового инвертора подсоединен через регулирующий дроссель ко входу силового трансформатора, выход которого служит выходом преобразователя инверторного типа, выходной выпрямитель с дросселем выполнен в виде параллельной цепи из силового выпрямителя и дополнительного выпрямителя, при этом выход преобразователя инверторного типа подсоединен к входу силового выпрямителя непосредственно, а к входу дополнительного выпрямителя - через дроссель, выходы силового выпрямителя и дополнительного выпрямителя объединены и служат выходом однофазного выпрямителя инверторного типа для дуговой сварки.

3. Однофазный выпрямитель по п.2, отличающийся тем, что сердечник регулирующего дросселя выполнен из феррита в форме тора, причем в радиальных плоскостях тора выполнено, по меньшей мере, два зазора, различных по своей высоте относительно продольной оси тора и в которых установлены диэлектрические вставки.

4. Однофазный выпрямитель по п.2, отличающийся тем, что введены термодатчик и блок индикации, термодатчик подключен к дополнительному выпрямителю и к входу блока индикации, выход которого подсоединен к третьему входу блока управления.