RU2063850C1 - Power supply source for arc welding - Google Patents

Abstract

FIELD: welding. SUBSTANCE: power supply source is designed for arc welding in various branches of mechanical engineering and in performance of construction and assembly operations. Source has transistor inverter, secondary rectifier, smoothing reactor and control unit. Adder and functional generator are inserted to improved its technological properties by timely change of shape of external characteristic. Sum of constant reference voltage and of alternating signal from output of functional generator synchronized by clock frequency is fed to setting input of control unit. Shape and level of this signal determine shape of external characteristic. Functional independence and minimal number of couplings inserted elements make it possible to realize easily program control over shape of external characteristic. EFFECT: enhanced operational reliability. 5 dwg

Description

Изобретение относится к области сварочного производства и предназначено для дуговой сварки как плавящимся, так и неплавящимся электродом и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, при производстве строительных и монтажных работ. The invention relates to the field of welding production and is intended for arc welding with both a consumable and non-consumable electrode and can be used in various branches of engineering, in the production of construction and installation works.

Известны источники питания с инверторным преобразователем, применяемые для дуговой сварки [1, 2]
Для формирования внешней характеристики источника используются многоконтурные системы регулирования, имеющие входы обратных связей по току и направление дуги. Из условия устойчивости системы известно, что дополнительные контуры регулирования имеют большее время реакции, чем основной контур. Это приводит к значительному отличию динамической характеристики источника от статической, что ухудшает технологические свойства процесса сварки и не позволяет обеспечить стабильное качество шва при сварке различных типов соединений в различных пространственных положениях.Known power supplies with an inverter converter used for arc welding [1, 2]
To form the external characteristics of the source, multi-loop control systems are used that have current feedback inputs and arc direction. From the condition of stability of the system it is known that additional control loops have a longer reaction time than the main loop. This leads to a significant difference in the dynamic characteristics of the source from the static, which affects the technological properties of the welding process and does not allow for stable weld quality when welding various types of joints in different spatial positions.

Из известных источников питания наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является высокочастотный транзисторный преобразователь, содержащий транзисторный инвертор, вторичный выпрямитель, сглаживающий реактор, датчик тока и блок управления, причем выход датчика тока соединен со входом ограничения тока блока управления, а управляющие входы инвертора подключены к соответствующим выходам блока управления. Of the known power sources, the closest in technical essence and the achieved results to this invention is a high-frequency transistor converter containing a transistor inverter, a secondary rectifier, a smoothing reactor, a current sensor and a control unit, and the output of the current sensor is connected to the current limit input of the control unit, and the control the inverter inputs are connected to the corresponding outputs of the control unit.

Ограничение тока загрузки обеспечивается путем непосредственного компарирования мгновенного значения сигнала с выхода датчика тока. Порог ограничения задается внутренним источником опорного напряжения [3]
Недостатком этого источника питания является фиксированная внешняя характеристика, которая определяется в основном параметрами элементов силовой части и не может изменяться оперативно. Это не позволяет обеспечить стабильное качество швов при сварке различных типов соединений в различных пространственных положениях.The load current is limited by directly comparing the instantaneous value of the signal from the output of the current sensor. The limit threshold is set by the internal voltage reference [3]
The disadvantage of this power source is a fixed external characteristic, which is determined mainly by the parameters of the elements of the power unit and cannot be changed promptly. This does not allow to ensure stable quality of the welds when welding various types of joints in various spatial positions.

Изобретение направлено на улучшение технологических свойств источника питания путем обеспечения возможности оперативного изменения в широких пределах наклона внешней характеристики источника питания, что позволяет обеспечить устойчивость горения дуги и стабильность качества сварных соединений благодаря ограничению отклонений энергетических параметров режима сварки при различных технологических возмущениях. The invention is aimed at improving the technological properties of the power source by providing the possibility of rapid changes over a wide range of the slope of the external characteristics of the power source, which ensures stability of arc burning and stability of the quality of welded joints due to the limitation of deviations of the energy parameters of the welding mode under various technological disturbances.

Это достигается тем, что в источник питания для дуговой сварки, содержащий транзисторный инвертор, вторичный выпрямитель, сглаживающий реактор, соединенные каскадно, а также датчик тока и блок управления, имеющий входы ограничения тока и задания, выходы управляющих сигналов опорного напряжения и тактовой частоты, причем вход ограничения тока соединен с выходом датчика тока, выходы управляющих сигналов соединены с соответствующими входами транзисторного инвертора, введены аналоговый сумматор и функциональный генератор. При этом первый вход и выход сумматора соединены соответственно с выходом опорного напряжения и входом задания блока управления, выход функционального генератора соединен со вторым входом сумматора, а вход синхронизации функционального генератора подключен к выходу тактовой частоты блока управления. This is achieved by the fact that the power source for arc welding, containing a transistor inverter, a secondary rectifier, a smoothing reactor, connected in cascade, as well as a current sensor and a control unit having current limiting and reference inputs, outputs of control signals of the reference voltage and clock frequency, the current limiting input is connected to the output of the current sensor, the control signal outputs are connected to the corresponding inputs of the transistor inverter, an analog adder and a functional generator are introduced. In this case, the first input and output of the adder are connected respectively to the output of the reference voltage and the job input of the control unit, the output of the functional generator is connected to the second input of the adder, and the synchronization input of the functional generator is connected to the clock output of the control unit.

На фиг. 1 приведена функциональная блок-схема источника питания; на фиг. 2 кривые изменения тока в реакторе и кривые изменения его действующего и амплитудного значений для случая плавного изменения напряжения на нагрузке; на фиг. 3 исходная внешняя характеристика источника питания при выключенном функциональном генераторе; на фиг.4 диаграмма напряжения задания; на фиг.5 - формирование "штыковой" внешней характеристики источника питания. In FIG. 1 shows a functional block diagram of a power source; in FIG. 2 curves of changes in current in the reactor and curves of changes in its current and amplitude values for the case of a smooth change in voltage at the load; in FIG. 3 initial external characteristic of the power source when the functional generator is turned off; figure 4 diagram of the voltage reference; figure 5 - the formation of the "bayonet" external characteristics of the power source.

Позиции на чертеже обозначают: 1 транзисторный инвертор; 2 вторичный выпрямитель; 3 сглаживающий реактор; 4 датчик тока; 5 блок управления инвертором; 6 выход управления; 7 вход ограничения тока; 8 вход задания; 9 выход опорного напряжения с блока управления; 10 выход тактовой частоты с блока управления; 11 сумматор; 12 функциональный генератор; 13 ток в реакторе; 14 амплитудное значение тока в реакторе; 15 действующее значение тока в реакторе; 16 исходная внешняя характеристика источника питания (действующее значение тока); 17 амплитудное значение тока на выходе источника питания; 18 опорное напряжение U_оп; 19 сигнал функционального генератора U_г=f(t); 20 исходная внешняя характеристика источника питания; 21 амплитудное значение тока источника; 22 - результирующая внешняя характеристика источника питания.The positions in the drawing indicate: 1 transistor inverter; 2 secondary rectifier; 3 smoothing reactor; 4 current sensor; 5 inverter control unit; 6 control output; 7 current limiting input; 8 job entry; 9 output of the reference voltage from the control unit; 10 clock frequency output from the control unit; 11 adder; 12 functional generator; 13 current in the reactor; 14 amplitude value of current in the reactor; 15 rms current value in the reactor; 16 initial external characteristic of the power source (current value of the current); 17 amplitude value of the current at the output of the power source; 18 reference voltage U _op ; 19 signal of the functional generator U _g = f (t); 20 initial external characteristic of the power source; 21 amplitude value of the current source; 22 is the resulting external characteristic of the power source.

Транзисторный инвертор 1, вторичный выпрямитель 2, сглаживающий реактор 3 соединены каскадно. Датчик тока 4 включен в цепь питания инвертора 1 и соединен с блоком управления 5, с которым соединены введенные в устройство элементы, аналоговый сумматор 11 и функциональный генератор 12. The transistor inverter 1, the secondary rectifier 2, the smoothing reactor 3 are connected in cascade. The current sensor 4 is included in the power circuit of the inverter 1 and is connected to the control unit 5, to which the elements introduced into the device, the analog adder 11 and the function generator 12 are connected.

Блок управления 5 имеет следующие внешние соединения: вход ограничения тока 7 и вход задания 8 подключены соответственно к выходам датчика тока 4 и аналогового сумматора 11. Выход опорного напряжения 9 соединен с первым входом сумматора 11, а выход тактовой частоты 10 со входом синхронизации функционального генератора 12. Второй вход сумматора 11 подключен к выходу функционального генератора 12. При этом выходы управления 6 соединены с соответствующими входами транзисторного инвертора 1. The control unit 5 has the following external connections: the current limit input 7 and the task input 8 are connected respectively to the outputs of the current sensor 4 and the analog adder 11. The output of the reference voltage 9 is connected to the first input of the adder 11, and the output of the clock frequency 10 with the synchronization input of the functional generator 12 The second input of the adder 11 is connected to the output of the functional generator 12. In this case, the control outputs 6 are connected to the corresponding inputs of the transistor inverter 1.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Исходная внешняя характеристика источника питания формируется при выключенном функциональном генераторе 12 (см. фиг.1). В этом случае на вход задания 8 через сумматор 11 подается постоянное опорное напряжение с выхода 9. В начале каждого периода t1 блок управления 5 формирует на выходе 6 сигнал, отпирающий силовые ключи инвертора 1. При этом на выходе вторичного выпрямителя 2 появляется прямоугольный импульс напряжения, во время действия которого происходит нарастание тока 13 в реакторе 3. Напряжение на входе ограничения тока 7 также увеличивается пропорционально току нагрузки. Когда напряжение на входе 7 достигает напряжения на входе задания 8 при t2, блок управления 5 запирает силовые ключи инвертора 1. Прекращается действие импульса напряжения на выходе выпрямителя 2. С момента t2 и до окончания периода Тп происходит спад тока 13 в реакторе 3 (см. фиг.2). В следующих периодах процессы повторяются с частотой преобразования инвертора 1. При плавном увеличении напряжения на нагрузке сварочный источник питания при выключенном функциональном генераторе 12 обеспечивает стабилизацию амплитудного значения тока 14, 17, но при этом действующее значение тока 15, 16 снижается из-за роста пульсаций тока в реакторе 3 (см. фиг.2 и 3). The initial external characteristic of the power source is formed when the functional generator 12 is turned off (see figure 1). In this case, at the input of task 8, a constant reference voltage is supplied from output 9. At the beginning of each period t1, control unit 5 generates a signal at output 6 that unlocks the power switches of inverter 1. At the same time, a rectangular voltage pulse appears at the output of secondary rectifier 2, during the action of which the current 13 rises in the reactor 3. The voltage at the input of the current limit 7 also increases in proportion to the load current. When the voltage at input 7 reaches the voltage at the input of task 8 at t2, the control unit 5 locks the power switches of inverter 1. The voltage pulse at the output of rectifier 2 ceases. From time t2 until the end of the period Tp, current 13 drops in reactor 3 (see figure 2). In the following periods, the processes are repeated with the conversion frequency of the inverter 1. With a smooth increase in the voltage at the load, the welding power source with the functional generator 12 off stabilizes the amplitude value of the current 14, 17, but the effective value of the current 15, 16 decreases due to an increase in ripple current in the reactor 3 (see figure 2 and 3).

Внешняя характеристика источника питания описывается выражением
I_н= I_a+ΔI(U_н), (1)
где Iн, Iа действующее и амплитудное значение тока соответственно;
ΔI(U_н) пульсация тока в функции выходного напряжения источника, которая определяется индуктивностью реактора 3 и частотой преобразования.The external characteristic of the power source is described by the expression
I _n = I _a + ΔI (U _n ), (1)
where In, Ia are the effective and amplitude values of the current, respectively;
ΔI (U _n ) current ripple as a function of the output voltage of the source, which is determined by the inductance of the reactor 3 and the conversion frequency.

Амплитудное значение тока нагрузки Iа зависит только от напряжения задания Uз на входе 8 блока управления 5,
Iа=KUз, (2)
где K коэффициент пропорциональности, учитывающий приведение тока нагрузки к первичной стороне и крутизну преобразования ток напряжение датчика тока 4. Управление внешней характеристикой источника питания реализуется при помощи введенных элементов функционального генератора 12 и сумматора 11 следующим образом. Функциональный генератор 12 вырабатывает периодический сигнал заданной формы Uг(t), синхронизированный импульсами тактовой частоты с вывода 10 блока управления 5. При этом на вход задания 8 поступает пульсирующее напряжение с выхода сумматора 11, представляющее собой сумму постоянного опорного напряжения Uоп с выхода 9 блока управления 5 и переменного напряжения Uг(t):
Uз=Uоп+Uг(t). (3)
Подставляя (3) в (2) и (1), получаем
I_н= K(U_оп+U_г(t))-ΔI(U_н) (4)
или
I_н= I_аoп+I_аг(t)- ΔI(U_н) (5)
Известно выражение для нагрузочной характеристики транзисторного не резонансного инвертора (см. [3] стр. 53 (2.20))
Uн=U2•tи/Tп, (6)
где U2 амплитуда импульса напряжения на выходе вторичного выпрямителя 2; tи длительность этого импульса; Tп период следования импульсов.The amplitude value of the load current Ia depends only on the voltage of the task Uz at the input 8 of the control unit 5,
Iа = KUз, (2)
where K is the proportionality coefficient taking into account the reduction of the load current to the primary side and the steepness of the conversion, the current is the voltage of the current sensor 4. The external characteristic of the power source is controlled by the introduced elements of the functional generator 12 and adder 11 as follows. Functional generator 12 generates a periodic signal of a given shape Ug (t), synchronized by clock pulses from output 10 of control unit 5. At the same time, pulsed voltage from the output of adder 11, which is the sum of the constant reference voltage Uop from output 9 of the control unit, is supplied to task input 8 5 and AC voltage Ug (t):
Uz = Uop + Ug (t). (3)
Substituting (3) in (2) and (1), we obtain
I _n = K (U _op + U _g (t)) - ΔI (U _n ) (4)
or
I _n = I _aop + I _ar (t) - ΔI (U _n ) (5)
An expression is known for the load characteristic of a transistor non-resonant inverter (see [3] p. 53 (2.20))
Un = U2 • ti / Tp, (6)
where U2 is the amplitude of the voltage pulse at the output of the secondary rectifier 2; t and the duration of this impulse; Tp pulse repetition period.

Так как генератор 12 синхронизирован тактовой частотой блока управления 5, то сигнал Uг может быть представлен как функция длительности импульса
Uг=f(tи) (7)
В то же время (6) показывает пропорциональную связь между Tп и Uн. Следовательно, сигнал Uг=f(tи), входящий в (3), обеспечивает зависимость напряжения задания Uз от напряжения нагрузки Uн. Поскольку эта зависимость определяется функцией Uг=f(tи), то путем изменения формы и уровня сигнала Uг обеспечивается управление внешней характеристикой.Since the generator 12 is synchronized with the clock frequency of the control unit 5, the signal Ug can be represented as a function of the pulse duration
Ug = f (ti) (7)
At the same time (6) shows a proportional relationship between Tп and Un. Therefore, the signal Uг = f (tи), included in (3), provides the dependence of the reference voltage Uз on the load voltage Un. Since this dependence is determined by the function Uг = f (tи), then by changing the shape and level of the signal Ug, the external characteristic is controlled.

Таким образом, конкретная форма внешней характеристики источника питания зависит от слагаемых Iаг(t) и ΔI(U_н) из (5). Если Iаг(t) и ΔI(U_н) имеют одинаковую функциональную зависимость, то реализуется линейная внешняя характеристика, наклон которой определяется соотношением их абсолютных величин. При различных функциональных зависимостях Iаг(t) и ΔI(U_н) реализуется нелинейная внешняя характеристика источника питания.Thus, the specific form of the external characteristic of the power source depends on the terms Iag (t) and ΔI (U _n ) from (5). If Iag (t) and ΔI (U _n ) have the same functional dependence, then a linear external characteristic is realized, the slope of which is determined by the ratio of their absolute values. With various functional dependences Iag (t) and ΔI (U _n ), a nonlinear external characteristic of the power source is realized.

Пусть требуется получить внешнюю характеристику питания с максимальной крутизной ("штыковую"). Из (5) известно, что величина пульсации тока ΔI(t) возрастает пропорционально квадрату напряжения нагрузки Uн². "Штыковая" характеристика реализуется, если Iаг полностью скомпенсирует спад тока при увеличении Uн, обусловленный пульсацией тока ΔI(U_н). Поскольку ΔI(t) пропорционально Uн², то для этого необходимо сформировать сигнал Uг, также возрастающий квадратично во времени (Uг пропорционально t²) и с уровнем, обеспечивающим равенство слагаемых Iаг=KUг и ΔI(U_н) в (5).Let it be required to obtain an external power characteristic with maximum slope (“bayonet”). From (5) it is known that the value of current ripple ΔI (t) increases in proportion to the square of the load voltage Un ² . A “bayonet” characteristic is realized if Iag fully compensates for the current drop with increasing Un, due to the ripple of the current ΔI (U _n ). Since ΔI (t) is proportional to Uн ² , for this it is necessary to generate a signal Uг, also increasing quadratically in time (Uг is proportional to t ² ) and with a level that ensures the equality of the terms Iag = KUг and ΔI (U _н ) in (5).

На фиг 4 приведена соответствующая диаграмма напряжения задания Uз= Uог+Uг на выходе 8 блока управления 5, а полученная при этом внешняя характеристика источника на фиг.5. Кривой 20 показана исходная внешняя характеристика инверторного источника питания при Uг=0. Кривой 21 показано изменение амплитудного значения тока Iа+Iаг при работе функционального генератора по закону Uг=f(t²). Результирующая линия 22 соответствует "штыковой" внешней характеристике источника питания.Figure 4 shows the corresponding voltage diagram of the task Uz = Uog + Ug at the output 8 of the control unit 5, and the resulting external characteristic of the source in Fig.5. Curve 20 shows the initial external characteristic of the inverter power source at Uг = 0. Curve 21 shows the change in the amplitude value of the current Ia + Iag during the operation of the functional generator according to the law Uг = f (t ² ). The resulting line 22 corresponds to the “bayonet” external characteristic of the power source.

Использование новых элементов в системе управления инверторными источниками питания выгодно отличает предлагаемый сварочный источник питания, так как позволяет формировать необходимую форму внешней характеристики, что делает его универсальным и позволяет применять при различных способах дуговой сварки, обеспечивая получение наилучших технологических свойств дуги и процесса сварки. Введенные элементы, обеспечивающие управление внешней характеристикой, не входят в контур регулирования тока, имеют минимальное количество связей с блоком управления, что позволяет легко реализовать программное управление внешней характеристикой источника. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 The use of new elements in the control system of inverter power sources favorably distinguishes the proposed welding power source, since it allows you to form the necessary shape of the external characteristic, which makes it universal and allows you to use it with various methods of arc welding, ensuring the best technological properties of the arc and the welding process. The introduced elements that provide control of the external characteristic are not included in the current control loop, have a minimum number of connections with the control unit, which makes it easy to implement software control of the external characteristic of the source. YYY2 YYY4

Claims (1)

Источник питания для дуговой сварки, содержащий транзисторный инвертор, вторичный выпрямитель, сглаживающий реактор, соединенные каскадно, а также датчик тока и блок управления, имеющий входы ограничения тока и задания, выходы управляющих сигналов, опорного напряжения и тактовой частоты, причем вход ограничения тока соединен с выходом датчика тока, выходы управляющих сигналов соединены с соответствующими входами транзисторного инвертора, отличающийся тем, что в источник питания для дуговой сварки введены сумматор и функциональный генератор, при этом первый вход и выход сумматора соединены соответственно с выходом опорного напряжения и входом задания блока управления, второй вход сумматора соединен с выходом функционального генератора, вход синхронизации которого подключен к выходу тактовой частоты блока управления. A power source for arc welding, containing a transistor inverter, a secondary rectifier, a smoothing reactor, connected in cascade, as well as a current sensor and a control unit having current and reference limiting inputs, control signal, reference voltage, and clock frequency outputs, the current limiting input being connected to the output of the current sensor, the outputs of the control signals are connected to the corresponding inputs of the transistor inverter, characterized in that an adder and a functional gene are introduced into the power source for arc welding an herator, while the first input and output of the adder are connected respectively to the output of the reference voltage and the job input of the control unit, the second input of the adder is connected to the output of the functional generator, the synchronization input of which is connected to the clock output of the control unit.

Images