Сварочный источник питания для сварки на сильном токе и способ формирования тока сварки - RU2210474C2

Чертежи

Описание

Данное изобретение относится к электродуговой сварке, и конкретнее - к усовершенствованному источнику питания для формирования сильного тока сварки в последовательности импульсов тока.

В данном изобретении используется инвертор транзисторного-переключающего типа для преобразования трехфазного входного источника питания в трансформатор связи с нагрузкой, из которого выход переменного тока инвертора можно выпрямить для формирования протекания тока между электродом и деталью сварочной операции. Такого рода инверторы используют широтно-импульсный модулятор, работающий на частоте свыше 18 кГц, для управления величиной тока сварки, протекающего во время операции сварки. Эти инверторы хорошо известны в сегодняшнем уровне техники и в общем виде излагаются в патентах 5349157 и 5351175, выданных на имя Блэнкеншип. Эти патенты включены в данную заявку в качестве ссылки в качестве предпосылочных сведений, иллюстрирующих трехфазный инвертор, в котором током управляют с помощью высокочастотного широтно-импульсного модулятора, который направляет импульсы тока в выходной трансформатор инвертора. Эти патенты иллюстрируют концепцию трехфазного инвертора, использующего широтно-импульсный модулятор с усилителем сигнала ошибки для управления используемым для операции сварки током на выходе инвертора.

Для обеспечения сварочной операции переменным током, в частности для дуговой сварки металлическим плавящимся электродом в среде инертного газа на переменном токе, предлагается использовать выходной трансформатор связи для выходного каскада инвертора типа транзисторной-переключающей схемы со вторичной обмоткой на выходном трансформаторе в целях формирования по существу положительного вывода и по существу отрицательного вывода. С помощью индуктора и двух транзисторных переключателей, таких как биполярные транзисторы с изолированным затвором, положительный импульс тока может быть направлен в операцию сварки с последующим отрицательным импульсом тока. Положительный импульс тока формируют замыканием первого переключателя, соединяющего положительный вывод на выходе инвертора через электрод и деталь сварки с отрицательным выводом или заземленным выводом. Для обращения протекания тока и формирования отрицательного импульса тока операцию сварки подключают к отрицательному выводу на выходе инвертора посредством второго транзисторного переключателя. Каждый транзисторный переключатель последовательно соединяют с электродом и деталью сварки вместе с обеспечивающим ток узлом индуктора. Попеременным замыканием первого переключателя при разомкнутом втором переключателе и размыканием первого переключателя при замкнутом втором переключателе создается процесс сварки на переменном токе. Этот процесс включает в себя последовательность положительных и отрицательных импульсов тока. Такое решение формирования процесса сварки на переменном токе успешно себя оправдало, но в случае, когда ток сварки сильный, т.е. свыше примерного уровня 200 А, демпферы, подключенные параллельно первому и второму транзисторным переключателям, становятся очень дорогостоящими и довольно громоздкими. Эти демпферы должны сохранять высокое напряжение на переключателях при выключении одного импульса и включении следующего импульса. Применение таких инверторных источников питания для сильного тока сварки является успешным в дуговой сварке на переменном токе до тех пор, пока удается соответствующим образом управлять высоким напряжением при переключении с одной полярности на противоположную. Это являлось явным недостатком использования инверторного источника питания для сильного тока сварки.

Было обнаружено, что переключение сильных токов сварки, формируемых инвертором переключающего типа, действующим от широтно-импульсного модулятора, вызывает высокое напряжение, обусловленное индуктивным сопротивлением в операции сварки и скоростью, с которой ток необходимо переключать между полярностями. Наведенное напряжение во время сдвига между положительной полярностью и отрицательной полярностью в сварочном аппарате на переменном токе описанного выше типа равно индуктивному сопротивлению, умноженному на производную по току. Поэтому подавление напряжения очень затруднено. По этой причине для понижения наведенного напряжения или управления им при переключении сильного тока сварки между положительной полярностью и отрицательной полярностью были предложены различные конструкции поглощающих энергию демпферных схем. Здесь под понятием сильного тока в общем подразумевают ток свыше примерного уровня 200 ампер и превышающий 1000-1200 ампер. Все демпферные схемы, необходимые для управления упомянутым высоким напряжением, обусловливают большие потери и/или они являются дорогостоящими. Это высокое напряжение является индуктивностью схемы сварки, умноженной на изменение в мгновенном токе на единицу времени во время операции переключения. Поскольку транзисторы, используемые в операции сварки, на выходе инвертора имеют фиксированное время, необходимое для выключения переключателя для прекращения проводимости, то наведенное напряжение, управляемое демпфером, пропорционально величине тока в то время, когда переключатель начинает выключаться и переходит от включенного положения в выключенное положение. По этой причине ранее схемы, используемые в таких устройствах с переключением сильного тока, как аппараты дуговой сварки, обычно содержали сложные демпферные конструкции - как описываемые выше - для подавления выбросов высокого напряжения, возникающих при выключении переключателя.

Неустановившееся напряжение при переключении сильного тока на выходе инверторного каскада значительно понижается согласно данному изобретению в сварочном аппарате на переменном токе, приводимом в действие переключающим инвертором, который работает от широтно-импульсного модулятора, в частности приводимом в действие трехфазным источником питания. Изобретение испытывали на источнике питания на основе инвертора переменного тока, 1200 ампер; при этом выходной ток понижался до 150 ампер до выключения переключателя на срезе каждого импульса тока в целях изменения полярности тока сварки. При выключении одного переключателя другой переключатель включают для формирования импульса тока противоположной полярности; при этом этот ток сразу сдвигается до 150 ампер в противоположной полярности и затем быстро - до максимального тока через индуктор в схеме сварки в противоположном направлении. За счет выключения инвертора до отключения импульса сильного тока снимаемый в импульсе ток быстро ослабляется до низкого уровня тока. Следовательно, переключение полярностей осуществляют при низком значении тока; и это низкое значение в данном примере устанавливали на значение 150 ампер. В этом примере наведенное напряжение на переключателях значительно понижалось при их отключении. Действительно, при 1200 ампер демпфер можно было вывести из действия, когда значение тока переключения было установлено на низкий уровень. Усилие напряжения демпфера понижали, чтобы обеспечивать более высокие переключающие частоты переменного тока, и при этом не было необходимости повышать требования к демпферам в отношении управления напряжением.

В соответствии с данным изобретением предлагается усовершенствованный источник питания для формирования тока сварки в последовательности импульсов тока; причем эти импульсы имеют максимальный уровень тока и состояние запаздывания. Таким образом, каждый импульс тока, который в предпочтительном варианте осуществления изобретения состоит из последовательных положительных и отрицательных импульсов тока, сдвигается к максимальному уровню тока свыше примерного уровня 200 ампер. Источник питания имеет инверторный каскад со входом, подключаемым к источнику питания, предпочтительно трехфазному, первому выводу в первой электрической полярности - когда инвертор включен, второму выводу во второй электрической полярности - когда инвертор включен, и к выводу заземления. В данном изобретении устройство управления формирует сигнал выключения для выключения инверторного каскада и снятия, таким образом, сильного тока с выводов. Такое отключение инверторного каскада сдвигает импульс тока в выключенное состояние. При выключении инверторного каскада импульс тока ослабляется до нулевого тока. В нормальном режиме использования источника питания инверторный каскад остается включенным, и выходные переключатели используют для сдвига с отрицательной полярности к положительной. Это обстоятельство вызывало проблемы, излагаемые в разделе "уровень техники".

Согласно данному изобретению, хотя выходные переключатели используют для изменения полярности, все же инверторный каскад, создающий ток для использования в аппарате дуговой сварки на переменном токе, выключают, тем самым обеспечивая возможность ослабления тока до нулевого тока, когда необходимо изменить полярность. По достижении низкого значения переключатели выполняют обратное переключение, прекращая имеющийся импульс тока и немедленно формируя следующий импульс тока противоположной полярности. Переключатели выполнены в схеме переключения питания, содержащей два транзисторных переключателя, каждый из которых имеет состояние проводимости, при котором пропускают ток от одного из выводов при формировании первого логического сигнала, и состояние отсутствия проводимости, при котором протекание тока блокируется при формировании второго логического сигнала. Данное изобретение можно использовать с единым выходным переключателем питания, который создает только импульсы одной полярности. Поэтому, в общем смысле, данное изобретение предусматривает выключение инверторного каскада, тем самым обеспечивая возможность ослабления импульса тока до выбранного уровня тока, и затем - отключение выходного переключателя питания для прекращения импульса тока. Кроме того, предпочтительный вариант осуществления изобретения применяется для дуговой сварки на переменном токе. Имеется два импульса тока. При включении одного выходного переключателя питания другой выходной переключатель питания выключается, и наоборот, в результате чего последовательно формируются импульсы тока противоположной полярности. Каждый импульс тока имеет срез, который формируется за счет выключения инвертора на короткое время, необходимое для ослабления тока импульса. Затем импульс тока прекращают приложением второго логического сигнала к переключателю, тем самым приводя переключатель в состояние отсутствия проводимости. На практике первый логический сигнал к каждому переключателю питания - будь то источник постоянного тока с одним переключателем или источник переменного тока с двумя переключателями - является логической 1 для включения переключателя. Логическим 0 является второй логический сигнал для выключения переключателя или переключателей.

В соответствии с изобретением датчик применяют для измерения мгновенного значения тока сварки, компаратор - для формирования сигнала слабого тока, когда мгновенный ток имеет выбранное значение существенно ниже максимального уровня тока импульсов тока, а схема или программа формирует второй логический сигнал для выключения переключателя при получении сигнала слабого тока после формирования сигнала выключения инверторного каскада. Если два переключателя используются для сварки на переменном токе, то когда один импульс тока выключается переключателем питания, тогда включается следующий импульс тока, в результате чего ток идет непосредственно в сторону максимального тока, когда инверторный каскад впоследствии включается. Инвертор выключают только на короткий период времени до изменения полярности. Поскольку выходная индуктивность аппаратов дуговой сварки инверторного типа обычно имеет небольшое значение, выходной ток можно быстро изменять. Следующий импульс тока идет до максимального тока и затем сохраняет максимальный ток до следующей последовательности изменения направления тока на обратное.

Инверторный каскад сначала выключают, и затем переключатели обусловливают изменение полярности. После ослабления тока до выбранного значения при реагировании на выключение инвертора происходит фактическое переключение двух полярностей. Поскольку наведенное напряжение на переключателях зависит от тока при переключении, умноженного на фиксированную индуктивность, значительное ослабление при изменении тока во время операции обратного переключения в свою очередь значительно понижает наведенное напряжение. Обнаружено, что 1000-1200 ампер можно переключить с небольшим демпфированием или даже без такового. Это является усовершенствованием сварочного аппарата на переменном токе такого типа, в котором применяют схему высокочастотного инверторного переключения и выходные переключатели - для формирования импульсов тока противоположной полярности.

Согласно еще одному аспекту данного изобретения инверторный каскад запитывают либо одно-, либо многофазным вводом. Так как данное изобретение можно применять с трехфазным вводом, операцию сварки можно легко уравновешивать, поскольку переключатели известного уровня техники этого типа, используемые для сварки на сильном токе, были однофазными источниками питания, имеющими поэтому несбалансированное питание. Эта несбалансированность представляет собой еще более серьезную проблему при высоких уровнях тока, применяемых в данном изобретении.

В соответствии с еще одним аспектом данного изобретения инверторный каскад предусматривает схему переключения, управляемую широтно-импульсным модулятором, действующим на частоте свыше примерного уровня 18 кГц. Этот широтно-импульсный модулятор управляет переключателями в инверторном каскаде на высокой скорости. Средний ток сварки сварочного аппарата на переменном токе направляют в усилитель сигнала ошибки для управления средним током операции сварки путем изменения рабочего цикла импульсного модулятора в соответствии с нормативной практикой инвертора. Импульсы тока, формируемые на выходе источника питания в соответствии с данным изобретением, являются относительно низкими, т.е. менее примерного уровня 400 Гц. Фактически операция сварки на переменном токе происходит на практике в общем диапазоне от 40 до 200 Гц - в отличие от высокочастотной работы инверторного каскада.

В соответствии с еще одним аспектом данного изобретения усовершенствованный источник питания можно применять для формирования однополярного импульса или импульса переменной полярности. Поэтому сварочный аппарат имеет отрицательный режим постоянного тока, положительный режим постоянного тока или режим переменного тока. Во всех режимах инверторный каскад выключают, обеспечивая возможность ослабления максимального тока до более низкого выбранного значения тока, и в это время импульс тока прекращается за счет размыкания переключателя, формирующего импульс тока. Поскольку скорость изменения полярности в режиме переменного тока определяет частоту операции сварки на переменном токе, поэтому управляемый напряжением генератор, или аналогичные средства программного обеспечения, используют для изменения частоты импульса сварки, но эту же частоту используют для широтно-импульсного модулятора, который управляет работой инверторного каскада. Поэтому частоту сварки на переменном токе легко регулируют простым изменением частоты генератора, другой схемы или программы, управляющей сетью переключения полярности.

Было обнаружено, что данное изобретение может ослаблять импульсный ток при прекращении импульса тока до уровня менее примерного уровня 200 ампер и предпочтительно до уровня в общем диапазоне от 100 до 150 ампер. Это переключение слабого тока для прекращения среза импульса тока можно использовать, даже когда максимальный ток импульса равен 1000-1200 ампер. До сих пор для этих источников питания переменного сильного тока требовались очень громоздкие и дорогостоящие демпферы.

Согласно данному изобретению импульсы тока противоположной полярности формируют посредством переключения между первым и вторым командными сигналами. Один командный сигнал включает один переключатель, и при этом другой командный сигнал выключает другой переключатель. Это изменяет полярность импульсов тока. Схему временной задержки используют для выключения инверторного каскада до включения командных сигналов для изменения полярности выходной операции сварки.

В описании данного изобретения первый и второй логические сигналы относятся к единому переключателю. Логическая 1 (первый логический сигнал) включает переключатель, а логический 0 (второй логический сигнал) выключает переключатель. Разумеется, цифровое значение логических сигналов можно менять на обратное. При работе в режиме переменного это - первый и второй командные сигналы. Эти два командных сигнала являются сигналами для включения одного переключателя и выключения другого. Эти командные сигналы никогда не являются одной и той же логикой, и в соответствии с предпочтительным осуществлением данного изобретения их формируют выводами Q и

триггера. При включении одного переключателя другой переключатель выключается. Так действуют сигналы команд. Логические сигналы относятся к единому переключателю, когда логическая 1 включает переключатель и логическая 1 выключает переключатель. Таким образом каждый командный сигнал имеет два логических сигнала, характеризующих состояние проводимости отдельных переключателей, управляемых сигналами команд. При вызове сигнала команды это обычно означает, что данный переключатель включает логический сигнал.

Основная задача данного изобретения заключается в обеспечении источника питания для сварки, который создает последовательность импульсов тока, имеющих высокие уровни тока примерно уровня 200 ампер, и прекращает импульс выключением переключателя питания; при этом источник питания модифицируют, в результате чего выключение переключателя питания происходит на низком уровне тока - существенно ниже максимального тока прекращаемого импульса.

Еще одна задача данного изобретения заключается в обеспечении имеющего новизну источника питания переменного тока для электродуговой сварки согласно вышеизложенному; причем источник питания имеет импульсы переменного тока с максимальными значениями сильного тока. Изменения импульсов полярности происходят путем размыкания одного переключателя питания и замыканием другого переключателя питания, когда размыкаемый переключатель питания обеспечивает ток, намного более слабый, чем сильный ток электропитания.

Еще одна задача данного изобретения заключается в обеспечении источника питания согласно изложенному выше, который приводится в действие инверторным каскадом, подключенным к трехфазному источнику питания и действующим на высокой частоте под управлением широтно-импульсного модулятора, в результате чего высокочастотный инверторный каскад обеспечивает ток для низкочастотной операции сварки на переменном токе.

Еще одна задача данного изобретения заключается в обеспечении усовершенствованного источника питания для сварки для формирования последовательности импульсов тока согласно вышеизложенному; причем источник питания использует транзисторные переключатели, такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором, и для этого источника питания требуется небольшое демпфирование, или таковое совсем не требуется при выключении переключателей изменения полярности.

И еще одна задача данного изобретения заключается в обеспечении источника питания для сварки на переменном токе для формирования последовательности импульсов тока согласно вышеизложенному, причем источник питания может работать на такой низкой выходной частоте, как 40-60 Гц, и его приводит в действие инверторный каскад, действующий на частоте свыше примерно уровня 20 кГц и с максимальными значениями тока свыше примерно уровня 200 ампер. Это - имеющий новизну источник питания переменного тока для электродуговой сварки, который имеет преимущества высокочастотного инверторного преобразования и обладает возможностью формировать низкочастотный выходной ток при высоких значениях уровня выходного тока.

Эти и прочие объекты и преимущества будут очевидны из следующего ниже описания в совокупности с прилагаемыми чертежами.

Фиг. 1 - схематическая принципиальная схема инверторного каскада и выходной переключающей схемы, используемых в предпочтительном осуществлении данного изобретения;
фиг. 1А - упрощенная принципиальная схема источника питания, изображенного на фиг.1, иллюстрирующая схему обратного переключения, используемую в предпочтительном варианте осуществления данного изобретения;
фиг. 2 - принципиальная схема логической схемы устройства управления, используемого в предпочтительном варианте осуществления, для формирования сигнала выключения инвертора, и первого и второго командных сигналов;
фиг. 3 - графическое изображение разных форм кривой, формируемых при реализации предпочтительного варианта осуществления изобретения;
фиг. 4 - график, схематически изображающий форму кривой тока сварки на переменном токе и поясняющий основные аспекты изобретения;
фиг. 5 - 7 - графики, изображающие формы кривых тока для сварки на переменном токе согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения согласно фиг.2;
фиг. 8 - схематическое изображение принципиальной схемы, иллюстрирующее модификацию предпочтительного осуществления изобретения; и
фиг.9 - график, изображающий форму кривой тока, формируемую модификацией предпочтительного варианта осуществления согласно фиг.8.

Обращаясь к чертежам, приводимым для иллюстрации предпочтительного варианта осуществления изобретения и не являющимся ограничивающими, фиг.1 и 1А изображают источник 10 питания для сварки на переменном токе для пропускания переменного тока через электрод Е и заземленную обрабатываемую деталь W. Источник 10 питания использует стандартный инверторный каскад 12, имеющий вход выпрямителями 14 и выполненный с возможностью обеспечения постоянного тока на высоких уровнях в выходной переключающей схеме 16; причем выходная схема формирует импульсы тока источника 10 питания для выполнения операции сварки на обрабатываемой детали W. Для обеспечения выходных выводов постоянного тока, формирующих вход схемы 16, двухполупериодный выпрямитель 18 подключен к инверторному каскаду, в результате чего многофазное входное напряжение в выпрямитель 14 преобразуется в источник постоянного тока, имеющий высокий уровень максимального тока свыше 200 ампер и предпочтительно до 1000-1200 ампер.

Инверторный каскад 12 имеет стандартную архитектуру и содержит вход 20 переменного тока, изображенный как многофазный источник питания, формирующий вход в выпрямитель 14, который направляет линию 22 передачи постоянного тока в транзисторную переключающую схему 30 для обеспечения импульсов переменного тока через первичную обмотку 34 трансформатора 32 нагрузки. Вторичную обмотку 36, имеющую нулевую точку 38, заземляют и подключают к обрабатываемой детали W операции сварки. Транзисторная переключающая схема содержит переключатели на полевых МОП-транзисторах, или другие аналогичные транзисторные переключатели, для формирования импульсов переменного тока в первичной обмотке 34. Выходной трансформатор 32 имеет очень низкую индуктивность, и поэтому схему 30 можно выключать довольно быстро. Это быстрое включение и выключение схемы переключения широко используют в источниках питания для сварки, таких как стандартный сварочный аппарат STT, выпускаемый компанией "Линкольн Электрик", Кливленд, Огайо, и описываемый в патенте 5001326, выданном Ставе и включаемом в данную заявку в качестве ссылки. Концепция преобразовательного каскада с низкой индуктивностью и выполненного с возможностью быстрого выключения хорошо известна в уровне техники. В соответствии с вышеупомянутым патентом и другими патентами, включаемыми в данную заявку в качестве ссылки, переключающая схема 30 действует от в общем стандартного широтно-импульсного модулятора 40, работающего на частоте свыше 18 кГц, и предпочтительно в диапазоне между 20 и 40 кГц, как указано в упомянутом патенте. Управление транзисторной схемой переключения с помощью широтно-импульсного модулятора с образованием преобразователя или инвертора является стандартной техникой; а выходным током инверторного каскада управляют с помощью напряжения на линии 42 от усилителя сигнала ошибки 50, который может быть выполнен средствами программного обеспечения, при реагировании на уровень напряжения на входной линии 52, имеющей напряжение, или цифровое слово, характеризующие нужный выходной ток источника 10 питания. В данном изобретении нужный -уровень тока устанавливают на значение, превышающее примерный уровень 200 ампер. Характеризующий сигнал на входной линии 52 сравнивают с помощью усилителя 50 со средним выходным током источника питания в виде сигнала напряжения или цифрового слова на входной линии 54. Напряжение от шунта 60 измерения тока имеет значение, характеризующее мгновенное значение тока в линии 62. Схема 64 усреднения тока усредняет мгновенное значение тока в линии 62, которое может быть аналоговым или цифровым значением. Схема 64 формирует сигнал напряжения или слово, характеризующие средний ток, во входной линии 54 усилителя 50. В соответствии с вышеизложенным инверторный каскад выполняют по стандартной технологии. В соответствии с одним из аспектов данного изобретения контроллер 70, который может быть выполнен в средствах программного обеспечения компьютера, или в виде аналоговой схемы, формирует характерное напряжение на линии 52 в соответствии со стандартными концепциями управления; но в дополнение к напряжению или слову в линии 52 контроллер 70 также обеспечивает сигнал выключения инвертора в линии 72. Логическая 1 в линии 72 незамедлительно выводит из действия широтно-импульсный модулятор для выключения инверторного каскада 12, в результате чего он более не направляет ток в выпрямитель 18.

Контроллер 70 также формирует командные сигналы переключения в линиях 80, 82, в которых первая логическая схема, т.е. логическая 1, немедленно включает соответствующий выходной переключатель питания, а вторая логическая схема, т.е. логический 0, немедленно выключает соответствующий выходной переключатель питания. Двухполупериодный выпрямитель 18 содержит диоды D1-D4 для формирования положительного вывода 90 тока, отрицательного вывода 92 тока и заземляющего или общего вывода 94, подключенного к ответвлению от средней точки или нулевой точки 38 к отрабатываемой детали W. Источник питания 10 использует выходную переключающую схему 16 для формирования импульсов сильного тока между электродом Е и обрабатываемой деталью W. В соответствии с указанным изображением первый транзисторный переключатель SW1 в виде биполярного транзистора с изолированным затвором замыкается при приеме командного сигнала в линии 80. Замыкание переключателя SW1 формирует импульс тока из положительного вывода 90 через положительный сегмент 112 выходного индуктора 110 и затем на дуге процесса сварки. Второй транзисторный переключатель SW2 в виде биполярного транзистора с изолированным затвором замыкается при приеме логической 1 в линии 82 для формирования отрицательного импульса тока через отрицательный сегмент 114 индуктора 110 и к отрицательному выводу 52 выпрямителя 18, формируя выходной сигнал инверторного каскада 12. Демпферы 100, 102 подключены параллельно на переключателях SW1, SW2 соответственно. Если основной аспект данного изобретения не реализуется, то эти демпферы должны быть довольно крупными и должны управлять очень высоким напряжением, так как наведенное напряжение равно значению индукторного сегмента 112 или 114, и дифференциальному или мгновенному изменению в токе. Если ток находится в пределах от 1000-1200 ампер, то короткое время выключения дает высокое соотношение di/dt. Наведенное напряжение является очень высоким и должно обрабатываться демпферами 100, 102. Описываемый здесь источник питания для использования в операции сварки на сильном переменном токе обладает новизной и может управлять сильным током свыше 200 ампер и фактически сильными токами свыше 1000 ампер. Это является преимуществом в сварочном аппарате на переменном токе для дуговой сварки металлическим плавящимся электродом в среде инертного газа. Но основной аспект данного изобретения заключается в уменьшении размера демпферов 100, 102 и необходимости в них.

Согласно данному изобретению в соответствии с изображениями на фиг.2 и 3 схему 30 инверторного каскада 12 выключают сигналом в линии 72 непосредственно до изменения полярности логических или командных сигналов в линиях 80, 82. Поэтому подачу тока выключают до переключения состояния проводимости переключателей SW1, SW2. Для осуществления этой операции управления можно использовать многие конструкции. Эти конструкции можно выполнить с жестким монтажом, они могут быть выполнены в средствах программного обеспечения или с помощью комбинаций того и другого. В иллюстративных целях схема управления с жестким монтажом или устройство 150 содержит логическую схему, изображаемую на фиг. 2. Выходные импульсы из устройства управления или логической схемы изображены на скоординированных по времени графиках фиг.3, взятых вместе с получаемыми импульсами P₁, P₂ переменного тока графика тока в верхней части фиг. 3. В изображаемой схеме или устройстве 150 управления логическая схема содержит триггер 160, имеющий Q вывод, подключенный к линии 80, и

вывод, подключенный к линии 82. Этот триггер может быть выполнен в средствах программного обеспечения или продублирован другим несовпадающим устройством. Логические сигналы на этих выводах изображены на графиках 200, 202 в фиг.3. Если один командный сигнал является логической 1, то другой командный сигнал является логическим 0. Поэтому при выключении одного переключателя SW1, SW2 другой переключатель немедленно включается. Это переключение изменяет полярность импульсов, чтобы сформировать выходной сигнал переменного тока, содержащий импульсы P₁, P₂ для использования в электродуговой сварке. Вывод D данных триггера 160 подключают к выходной линии 172 генератора 170, который может быть выполнен в средствах программного обеспечения. Двоичный логический сигнал на выводе D данных триггера 160 изображен на графике 206 и образует выходной сигнал генератора 170 в линии 172. Для переноса логического сигнала из вывода D в вывод Q тактовый импульс необходимо принять на выводе СК тактовых импульсов, который подключен к выходу 182 компаратора 180 уровня напряжения. Эти логические устройства изображены в аналоговом виде и в аналоговых символах, но могут также использоваться и цифровые схемы. Триггер 160 действует в соответствии со стандартной практикой, предусматривающей логический сигнал, изображаемый на графиках 200, 202 на выходе триггера 160 и на линиях 80, 82. Логический сигнал на этих линиях управляет переключателями SW1, SW2 соответственно. На фиг.3 тактовый импульс 204а появляется, когда данные D, изображаемые на графике 206, являются логическим 0. Это тактирующее действие обусловливает появление логического 0 на линии командного сигнала 80, и логической 1 на линии командного сигнала 82 согласно изображениям на графиках 200, 202. Например, в точке 200а имеется изменение состояний проводимости переключателей SW1, SW2. Это сдвигает ток из импульса P₁ в импульс Р₂ для обеспечения изменения полярности между импульсом P₁ тока положительной полярности и импульсом Р₂ тока отрицательной полярности. Командные сигналы на линиях 80, 82 снова обращают в точке 200b при приеме тактового импульса 204b, когда график 206 является логической 1. Таким образом полярность импульсов тока снова изменяется с импульса P₂ отрицательной полярности на импульс P₁ положительной полярности. При следующем тактовом импульсе 204с происходит еще одно изменение полярности тока. При этом триггер 160 формирует переменный ток сварки на выходе источника 10 питания. Генератор 170, который формирует сигнал, изображаемый как график 206 на фиг.3, является стандартным генератором, управляемым напряжением, в котором вход напряжения на линии 174 изменяет частоту импульса на выходе 172. Это изменение частоты генератора изменяет частоту изменения полярности импульсов, изображаемых на верхнем графике фиг.3. Аналогичным образом, путем изменения напряжения на линии 176 можно изменить рабочий цикл генератора 170. Рабочий цикл изображен на фиг.3 как 50%. Путем изменения напряжения в линии 176 в соответствии со стандартной практикой рабочий цикл колебаний может изменяться, чтобы изменять рабочий цикл импульсов тока на выходе переменного тока источника 10 питания.

Тактовые импульсы в линии 182, изображаемые графиком 204 на фиг.3, формируют путем сравнения напряжений на входных линиях 184, 186. Входная линия 184 является мгновенным током дуги в операции сварки, воспринимаемым шунтом 60. Напряжение на входе 186 является выходным сигналом реостата 188, который устанавливают, чтобы соответствовать напряжению на линии 184, которое находится на уровне выбранного значения, предпочтительно в диапазоне 100-150 ампер, и в общем менее примерного уровня 200 ампер. Логическая 1 появляется в линии 182, когда мгновенный ток ниже выбранного значения, заданного реостатом 188, которое в этом примере составляет 100 ампер. Снова обращаясь к графику 204 в фиг.3: импульсы 204а-204с характеризуют время, в течение которого компаратор 180 выводит логическую 1, указывающую ток со значением, меньшим, чем выбранное значение на входе 186. Считывание мгновенного значения в линии 62 и использование этого значения для тактирования триггеров 160 гарантируют осуществление изменения полярности только на уровнях ниже 100 ампер. Этот признак является только одним из аспектов данного изобретения. Также необходимо выключать инверторный каскад 12 логической 1 в линиях 72 для подготовки изменения полярности переключателей SW1, SW2. Этот аспект данного изобретения осуществляют различными конструкциями, одна из которых иллюстрирована в фиг.2 как логическая схема 210. Эта схема использует инвертор 212 для инвертирования логического сигнала на линии 172 в том виде, как это изображено на линии 172а. Логический элемент НЕ-И 230 имеет вход 232 с логическим сигналом на линии 82, которая изображена на графике 202 фиг.3. Другой вход в логический элемент 230 является линией 172 - графиком 206 на фиг.3. Когда и тот и другой логический сигнал графиков 202 и 206 является логической 1, то логический 0 появляется в линии 234. Это создает логическую 1 в линии 72, которая является выходным сигналом логического элемента НЕ-И 250. Аналогичным образом логический элемент НЕ-И 240 имеет вход 242, подключенный к линии 80 и изображенный как график 200 на фиг.3. Инвертированный логический сигнал генератора на линии 172а изображен в графике 202 фиг.3. Когда логическая 1 появляется на обеих графиках 200 и 202, то логический 0 появляется на выходе 244 логического элемента 240 с получением логической 1 в линии 72. Логическим сигналом в линии 72 является сигнал выключения инвертора, изображаемый на графике 222 фиг.3. Сигнал выключения инвертора формируется сразу при изменении логического сигнала графика 206 генератора. Инвертор 212 используется в логической схеме 210 для выполнения надлежащего формирования сигналов выключения инверторного каскада 12. В соответствии с изображением в фиг.3 сигналы 222а-222с выключения происходят непосредственно перед тем, как тактовые импульсы 204а-204с вызывают переключение переключателей SW1 и SW2. Поэтому инвертор выключают и удерживается во время импульсов 222а-222с. Логический сигнал на выходе триггера 160 не может измениться до появления следующего тактового импульса. Ток, изображаемый на верхнем графике, ослабевает по линии 300 до тех пор, пока в точке 302 графика не будет достигнута точка 200а изменения полярности. После этого происходит немедленное изменение полярности путем изменения логического сигнала на линиях 80, 82 в соответствии с изображением на графиках 200, 202. Для этого требуется определенное собственное время перехода в биполярных транзисторах с изолированным затвором, указываемое между точкой 302 и точкой 304. Инверторный каскад 12 включается снова, и ток увеличивается по линии 306 до максимального уровня. Эта же операция происходит во время каждого изменения полярности импульсов P₁, P₂ тока согласно фиг.3. Между точками 302 и 304 имеется очень краткая задержка, обусловленная собственным временем включения переключателей SW1, SW2. Этими переключателями являются транзисторные переключатели; и это указывает на то, что они не являются коммутируемыми. На практике этими переключателями являются биполярные транзисторы с изолированным затвором. При использовании транзисторных переключателей потерь энергии во время операции переключения не происходит. Разумеется, для осуществления данного изобретения могут быть использованы другие быстродействующие переключающие устройства, изменяющие проводимость согласно логическому сигналу на одном выводе, если они обладают возможностями работы с сильными токами, которые могут превышать 100 ампер.

Данное изобретение схематически изображено в виде переменного тока на фиг. 4 как переменные импульсы Р₃ и Р₄. В этой фиг. сигнал выключения инвертора появляется в точке 320 в импульсе Р₃. Ток ослабляется посредством выходного индуктора по линии 322 до достижения им низкого уровня, определяемого выбранным низким значением тока, которое здесь указано равным 100 ампер. Этот ток существенно ниже максимального тока 1200 ампер для импульса Р₃. В точке 324 переключения переключатели SW1 и SW2 переключаются согласно логическому сигналу на линиях 80, 82. Когда это происходит, немедленно создается импульс Р₄, указываемый вдоль по существу вертикальной линии 330, которая является теоретическим состоянием до точки 332, в котором ток доводится до отрицательного максимального уровня. Сразу при замыкании переключателя ток сдвигается плотно соединенным установленным над центром индуктором до того же уровня в противоположной полярности. Переход через ноль также осуществляется между точками 334 и 336. Данное изобретение можно применять со стандартным последовательным индуктором в положительной или отрицательной выходной схеме, в результате чего ток не будет так быстро сдвигаться между выбранными значениями. Изображаемый на фиг.4 переменный ток является типичным и иллюстрирует основную концепцию данного изобретения выключение инверторного каскада, ожидание ослабления тока до выбранного значения и затем переключение переключателей для изменения полярности импульсов сильного тока. Как указывалось выше, частоту и рабочий цикл выходных импульсов можно изменять путем изменения программного обеспечения, которое схематически изображено как генератор 170 на фиг.2. Этот признак схематически иллюстрируется на фиг. 5 и 6. На фиг.5 рабочий цикл между импульсами Р₅ и P₆ составляет 50%. В соответствии с нижним графиком рабочий цикл между импульсами Р₇ и P₈ составляет 20% с сохранением той же частоты.

На фиг. 6 частота повышается таким образом, что 50-процентный рабочий цикл между импульсом Р₉ и импульсом Р₁₀ дает меньший отдельный импульс по причине повысившейся частоты. Эта повышенная частота может иметь согласно изображению изменение в рабочем цикле, когда импульс Р₁₁ имеет 20% рабочий цикл относительно импульса P₁₂. Термин "рабочий цикл" здесь используется для указания относительного времени между положительным импульсом и отрицательным импульсом. Это неуравновешенное состояние может быть целесообразным в некоторых операциях сварки, когда проводимость в одном направлении существенно отличается от проводимости в противоположном направлении. В соответствии с другим аспектом данного изобретения возможно изменить амплитуду положительного и отрицательного импульсов тока согласно фиг.7, где амплитуда а для импульса Р₁₃ существенно ниже амплитуды b для импульса P₁₄. Эта концепция обеспечивает более сильный ток в одном направлении, чем в другом. Разумеется, импульсы P₅-P₁₄ применимы для данного изобретения, согласно которому прекращение импульса осуществляют первым выключением инверторного каскада и, затем переключения переключателей SW1, SW2. Также можно осуществить прочие изменения в относительных формах переменных импульсов.

Еще одна модификация предпочтительного варианта осуществления иллюстрируется в фиг.8 и 9, где источник питания 400 для сварки дает ряд однополярных импульсов Р₂₀ в соответствии с фиг.9. В этой модификации изобретения только единый переключатель SW3 используется для направления импульса через дугу между электродом Е заземленной обрабатываемой деталью W. Согласно этой модификации иллюстрируется главная концепция выключения инвертора с целью обеспечения ослабления сильного тока до низкого выбранного значения и затем выключения переключателя питания, такого как биполярный транзистор с изолированным затвором. Имеющее новизну изобретательское решение заключается в выключении импульса сильного тока и затем выключения переключателя питания в источнике питания для сварки, приводимого в действие высокочастотным инвертором. В этой модификации инверторный каскад 402 имеет выход, управляемый единым переключателем SW3 для пропускания импульса Р₂₀ тока через индуктор 404 и по электроду Е и заземленной обрабатываемой детали W. Командный сигнал в линии 410 имеет логическую 1, когда переключатель SW3 включен, и логический 0, когда переключатель выключен. Логическим сигналом на линии 410 управляется логическая схема 412, имеющая вход 414 для включения переключателя и логический сигнал в линии 416 для выключения переключателя. Схема управления, которая может быть выполнена в средствах программного обеспечения, изображена в виде генератора 420 с жестким монтажом, имеющим выходной сигнал 422 для включения или выключения инвертора 402 в соответствии с указанием логического сигнала в линии 424. Если переключатель SW3 был бы включенным все время, тогда на электроде Е появился бы импульс тока прямоугольной формы. При включении инвертора переключатель SW3 включается логическим сигналом на линии 414. Но когда инвертор выключен, тогда переключатель SW3 не выключается немедленно. Для выключения переключателя SW3 нужен логический сигнал в линии 416. Логическим сигналом является выходной сигнал логического элемента И 430, имеющего инвертор 432 для инвертирования логического сигнала из генератора 420. Этот инвертированный логический сигнал появляется на линии 432а во входном сигнале логического элемента 430. Другим входом логического элемента 430 является выход 440а компаратора 440, имеющего первый вход напряжения в линии 442 от датчика 440, управляемого мгновенным током сварки, измеряемым шунтом 446. Второй вход в компараторе 440 является напряжением на линии 450, имеющей напряжение или слово, характеризующее выбранное значение тока, например - 100 ампер. Поэтому, когда инвертор 402 выключен, логическая 1 появляется в линии 432а. Сразу после понижения тока до уровня, определяемого напряжением на линии 450, логическая 1 появляется на втором входе 440а логического элемента 430. Это обусловливает появление логической 1 в линии 416, чтобы разомкнуть переключатель SW3 и прекратить импульс тока. Поэтому при включении генератора включается переключатель SW3. Это изображено в фиг. 9 на переднем фронте импульса Р₂₀. Данное изобретение предусматривает выключение инвертора 402, как указано в пункте 460. Ток через переключатель SW3 ослабляется по линии 462. По достижении ослабляющимся мгновенным током дуги выбранного значения, указанного равным 100 ампер, логический элемент 430 дает логическую 1 для выключения переключателя SW3. Эта модификация изобретения изложена для иллюстрирования главного аспекта изобретения в контексте одноимпульсного источника питания. Импульсы Р₂₀ появляются на частоте, определяемой частотой генератора 420, и имеют рабочий цикл этого генератора; причем указанный генератор действует в соответствии с описанием генератора 170 в фиг.2. Таким образом, согласно изобретению может быть создан единый ряд импульсов либо может быть обеспечен переменный ток сварки.

В описываемых вариантах осуществления данного изобретения, которое предполагает, в общем, стандартную технологию за исключением решения, согласно которому обеспечивается ослабление импульса сильного тока до выбранного значения перед прекращением импульса тока, возможны различные изменения. Это техническое решение, в случае его применения в источниках питания для сварки на сильном токе, имеет значительные преимущества и снижает стоимость демпферов 100, 102 согласно фиг. 1 и поэтому также снижает затраты на источник питания для сварки на сильном токе.

Реферат

Сварочный источник питания для формирования тока сварки в последовательности импульсов тока с максимальным уровнем тока и состоянием включения запаздывания содержит инверторный каскад со входом, подключаемым к источнику питания, первый вывод с первой электрической полярностью, когда инвертор включен, второй вывод со второй электрической полярностью, когда инвертор включен, и средство управления для формирования сигнала выключения для выключения инвертора и снятия тока из выводов для сдвига импульса тока в выключенное состояние. Переключающий питание каскад содержит транзисторный переключатель, имеющий проводящее состояние, пропускающее ток из первого вывода при формировании первого логического сигнала, и состояние отсутствия проводимости, блокирующее ток при формировании второго логического сигнала. Сварочный источник питания содержит датчик для измерения мгновенного значения тока сварки, компаратор для формирования сигнала слабого тока, когда мгновенный ток имеет выбранное значение, существенно ниже максимального уровня тока, и схему или программу для формирования второго логического сигнала при формировании сигнала слабого тока после формирования сигнала выключения, по которому переключатель переключают из состояния проводимости в состояние отсутствия проводимости, когда ток сварки имеет по существу выбранное значение. Преимущества изобретения, в частности, в том, что обеспечивается ослабление импульса сильного тока до выбранного значения перед прекращением импульса тока, при этом возможны различные изменения, снижены затраты на источник питания для сварки на сильном токе. 4 с. и 35 з. п. ф-лы, 9 ил.

Формула