Мобильный сварочный агрегат постоянного тока
Мобильный сварочный агрегат постоянного тока относится к области электротехники, в частности, к источникам электропитания электротехнологических установок, и может быть использован для сварки межрельсовых соединений, наплавки головок железнодорожных рельсов, проведения сварочных работ на промысловых нефте- и газопроводах, в том числе и в зимних условиях. Мобильный сварочный агрегат постоянного тока содержит сварочную головку, блок управления технологическим процессом с управляемым задающим генератором частоты, трехфазный неуправляемый выпрямитель со сглаживающим фильтром и инвертор, нагруженный через датчики тока и напряжения на первичную обмотку трансформатора, при этом его вторичная обмотка выполнена с N-отводами, к среднему отводу которой по нулевой схеме выпрямления через диоды, дроссель и коммутатор подключена сварочная головка, а к соответствующим отводам через другой коммутатор с встроенным электромагнитным датчиком температуры подсоединен термообрабатывающий модуль, представляющий собой резонансный LC-контур, причем выходные сигналы датчиков температуры, тока и напряжения связаны с блоком управления технологическим процессом. Блок управления технологическим процессом содержит: устройство фазовой автоподстройки частоты задающего генератора, блок выбора режимов сварки и термообработки, блок защиты с устройством контроля напряжения, тока и узлом слежения за температурой. В качестве коммутаторов могут быть применены как электромагнитные контакторы, так и полупроводниковые контакторы: биполярные тиристоры в цепи термообрабатывающего модуля и запираемый тиристор в цепи сварочной головки. Решены задачи: снижены масса, габариты и стоимость мобильного сварочного комплекса, сформированы нужные внешние характеристики, сокращены затраты времени для сварочно-термообрабатывающих работ, повышен КПД.
Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к источникам электропитания электротехнологических установок, и может быть использована для повышения энергетической эффективности применения дуговой сварки с последующей термообработкой.
Мобильный сварочный агрегат постоянного тока может быть использован для сварки межрельсовых соединений, восстановительной наплавки головок железнодорожных рельсов, для проведения сварочных работ на промысловых нефте- и газопроводах, при ремонте водопроводов жилищно-коммунальных хозяйств в зимних условиях и т.п.
Известен источник питания повышенной частоты для индукционного нагрева, выбранный в качестве аналога (см. уч. пособие «Транзисторные инверторы» / Г.А. Шадрин, В.П. Петрович. - Томск: изд-во ТПУ, 2012, рис. 30, с. 74), содержащий трехфазный диодный мостовой выпрямитель, импульсный стабилизатор напряжения (ИСН), резонансный инвертор, к которому через датчики тока и напряжения подключается резонансный LC-контур термообрабатывающего блока, технологический блок управления инвертором и широтно-импульсный модулятор для управления ИСН.
Недостатком аналога является ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия сварочной машины, необходимой для сварочных работ.
В качестве прототипа выбрана система энергообеспечения комплекса контактной сварки и термообработки передвижных рельсосварочных машин по полезной модели 
135322, в которой в трехфазному выпрямителю со сглаживающим фильтром, подключены через высокочастотный инвертор и силовой трансформатор резонансный LC-контур термообрабатывающего блока и низкочастотный инвертор для питания контактной сварочной машины, причем для управления инверторами предусмотрен блок управления технологическим процессом.
Недостатком этого комплекса является использование двух отдельных инверторов разной частоты для питания сварочной машины и термообрабатывающего блока, что приводит к увеличению массы и габаритов, а также к нерациональному использованию силового источника питания, например, дизель - генератора трехфазного переменного напряжения.
Общим фактором, объединяющим технологические операции сварки и термообработки, является однофазное потребление электроэнергии нагрузкой, причем ток, потребляемый сварочной головкой, зависит от необходимой мощности при напряжении на входе выпрямителя до 400 В.
Для ремонтных работ необходимо решить актуальную задачу создания высокоэффективных малогабаритных мобильных сварочных машин постоянного тока с необходимым предварительным и сопутствующим нагревом зоны сварки, малогабаритных и недорогих, позволяющих выполнять несколько технологических операций в одном агрегате и обладающих высокими технико-экономическими (энергетическими и массо-габаритными) показателями.
Учитывая, что режим работы мобильного сварочного и индукционно-нагревательного комплекса, чаще всего предусматривает чередование процессов сварки и термообработки, предлагаемое решение, заключается в создании одного общего источника питания для сварочной машины и термообрабатывающего блока, что позволит снизить суммарную стоимость и установленную мощность всего комплекса, его массу и габариты, повысить производительность труда за счет сокращения времени сварочно-термообрабатывающих работ.
Применение предварительного и сопутствующего индукционного нагрева позволяет обеспечить качественные сварные соединения в самых жестких погодных условиях (до -40°С).
Задача полезной модели - снижение стоимости мобильного сварочного комплекса, обеспечение необходимых внешних характеристик, снижение массы и габаритов силовых элементов комплекса, повышение энергетических показателей, сокращение затрат времени сварочных и термообрабатывающих работ.
Поставленная цель решается следующим образом.
В мобильном сварочном агрегате постоянного тока, содержащем сварочную головку, блок управления технологическим процессом с управляемым задающим генератором частоты, трехфазный неуправляемый выпрямитель со сглаживающим фильтром и инвертор, нагруженный через датчики тока и напряжения на первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена с N отводами со средним выводом, к которому по нулевой схеме выпрямления через диоды, дроссель и коммутатор подключена сварочная головка, а термообрабатывающий модуль, представляющий собой резонансный LC контур, подсоединен к другим отводам через другой коммутатор со встроенным электроконтактным термометром, причем выходные сигналы датчиков температуры, тока и напряжения связаны с блоком управления технологическим процессом (БУТП).
БУТП содержит: устройство фазовой автоподстройки частоты задающего генератора, блок выбора режимов сварки и термообработки, блок защиты с устройством контроля напряжения, тока и узлом слежения за температурой.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1.
Мобильный сварочный агрегат постоянного тока состоит из трехфазного диодного мостового выпрямителя 1, подключенного к трехфазной сети 400 В, например, к дизель-генератору, сглаживающего LC-фильтра 2, высокочастотного инвертора 3, к которому через датчик тока 4 и датчик напряжения 5 подключен первичной обмоткой 6 силовой трансформатор 7. Его вторичная обмотка 8 выполнена с N-отводами 9-15 и со средним отводом 12. К отводам 11, 13 и среднему отводу 12 по нулевой схеме выпрямления через диоды 16 и 17, коммутатор 18 и дроссель 19 подключена сварочная головка 20, а к отводам 9, 15 через коммутатор 21 подсоединен термообрабатывающий модуль 22, представляющий собой резонансный LC-контур, причем выходные сигналы датчика тока 4 и датчика напряжения 5 связаны с блоком управления 23 технологическим процессом.
В качестве коммутаторов 18 и 21 могут быть использованы как электромагнитные контакторы с электроконтактными термометрами, так и полупроводниковые контакторы: биполярные тиристоры в цепи LC-контура (индуктора) или запираемый тиристор в цепи сварочной головки, управляемые с блока выбора режимов сварки и термообработки БУТП. Электроконтактные термометры встроены в катушки контакторов 18, 21 и выдают сигнал напряжения Ut в блок защиты БУТП 23 при превышении допустимой температуры, а в электронных схемах - преобразователи на микросхемах: температура - напряжение.
В качестве датчиков постоянного и переменного тока и напряжения можно использовать универсальные модули фирмы LEM типа LT 200Р на основе датчиков Холла, трансформаторы тока или резистивные шунты с усилителями.
Известно, что инверторы для электротермии, как правило, работают на частоте, близкой к резонансной частоте LC-контура термообрабатывающего модуля, так как в этих условиях резонансный контур представляет собой активное сопротивление для основной гармоники питающего его тока.
На фиг. 1 обозначены напряжения: задающее Uf - на входе задающего генератора БУТП 23; опорное Uзад - на входе датчика тока 4; U пор - на входе датчика напряжения 5.
Устройство работает следующим образом.
Для предварительного или сопутствующего нагрева зоны сварки включается коммутатор 21, при этом для согласования напряжения в резонансном LC-контуре 22, он подключается к отводам 10 и 14 или к отводам 9, 15 вторичной обмотки 8. При работающем инверторе 3, проходя через датчик тока 4 и датчик напряжения 5, выходные сигналы (фиг. 1) поступают в виде напряжения обратной связи UOC в БУТП 23. Разностный сигнал между напряжениями UOC и Uf поступает на вход число-импульсной модуляции, система переходит в режим фазовой автоподстройки частоты термообработки.
В течение технологического процесса параметры резонансного контура 22 сильно изменяются, при этом изменяется резонансная частота контура нагрузки.
Фазовая автоматическая подстройка частоты возбуждения повышает энергоэффективность нагрева. При работающем инверторе путем подключения с БУТП 23 коммутатора 18, дросселя 19 через диоды 16, 17 сварочная головка 20 по нулевой схеме выпрямления подключается к отводам 11, 12, 13. Дроссель 19 (индуктивный фильтр) сглаживает пульсации напряжения и обеспечивает непрерывность тока в цепи постоянного тока. На постоянном токе дуга загорается и горит устойчиво. Сварочная машина позволяет производить дуговую сварку рельсов или наплавку металла в защитных газах или под слоем флюса плавящимися электродами.
Базовые внешние вольт-амперные характеристики (
) при малых и больших токах - крутопадающие с наклоном 0,01-0,03 В/А, при средних - пологопадающие с наклоном 0,1-0,2 В/А. Сформировать их наклон не вызывает затруднений.
Блок защиты срабатывает при превышении температуры и уставки тока нагрузки. По окончании процесса сварки коммутатор 18 отключается с БУТП.
Мобильный комплекс, в котором совмещены сварочная машина и термообрабатывающий резонансный LC-контур, позволяет повысить энергетические показатели и производительность труда за счет сокращения времени, необходимого для проведения работ, снижения стоимости мобильного сварочного агрегата, и сформировать необходимый наклон , обеспечив минимальную массу и габариты - не более 25-30 кг, при этом мощность сварочной машины может составлять несколько сотен кВт.
1. Мобильный сварочный агрегат постоянного тока, содержащий сварочную головку, блок управления технологическим процессом с управляемым задающим генератором частоты, трёхфазный неуправляемый выпрямитель со сглаживающим фильтром и инвертор, подключенный через датчики напряжения и тока к первичной обмотке трансформатора, отличающийся тем, что вторичная обмотка трансформатора выполнена с N-отводами, к ее среднему отводу по нулевой схеме выпрямления через диоды, дроссель и коммутатор подключена сварочная головка, а к другим отводам через коммутатор со встроенным электроконтактным датчиком температуры подсоединен термообрабатывающий модуль, выполненный в виде резонансного LC-контура, причём выходы датчиков температуры, тока и напряжения связаны с блоком управления технологическим процессом.
2. Мобильный сварочный агрегат по п.1, отличающийся тем, что коммутаторы выполнены в виде электромагнитных контакторов со встроенными электроконтактными датчиками температуры, подключенных к блоку управления технологическим процессом.
3. Мобильный сварочный агрегат по п.1, отличающийся тем, что коммутатор в цепи сварочной головки выполнен на запираемом тиристоре, а коммутатор в цепи термообрабатывающего модуля - на биполярных тиристорах, подключенных к блоку управления технологическим процессом.
