Текст
6
Аппарат сварочный переносной «РУСИЧ»
Рис. 2. Электрическая схема сварочного аппарата
6. НЕОБХОДИМЫЕ СВАРОЧНЫЕ АКСЕССУАРЫ
6.1. Кабель “земля". Этот кабель должен быть непосредственно соединен с
рабочей мета.тличсской поверхностью, па которой производится сварка, либо
с самой свариваемой деталью. Необходимо обеспечить хороший контакт
клеммы с поверхностью и в случае необходимости зачистить поверхность от
ржавчины, окалины, грязи, краски и т.п,
6.2. Кабель электро до-держат с ля имеет на конце держатель электродов, кото-
рый снабжен специальным зажимом для вставления и платного удержания “го-
лого” конца электрода Внутреннюю ребристую поверхность зажима время от
времени необходимо зачитать шкуркой.
ВНИМАНИЕ:
Не сжигайте гяектрод до агмого основания во избежание порчи
жектрододержателя
6.3. Защитная маска. Она всегда должна использоваться во время сварки
для зашиты глаз от световой радиации, образуемой дугой Маска позволяет
наблюдать процесс сварки
6 4 Щетка-отбойник Используйте щетку для зачистки свариваемых
поверхностей и ударник (с противоположной стороны) для отбивания шлака
со сварного шва.
6.5. При продаже клеммы и эле ктродо держал ель могут даваться отдельно
от кабелей.
---------------------------1
ВНИМАНИЕ:
Верхний кабель - для злектрододержатехя
Нижний кабель - "земля”, те. клемыа
ИЗМЕНЕНИЕ ПОРЯДКА ПОДСОЕДИНЕНИЯ СВАРОЧНЫХ
КАБЕЛЕЙ НЕ ДОПУСКАЕТСЯ.
Руководство по эксплуатации
5
ПОМНИТЕ:
Лучи сварочной дуги могут поражать зрение и кожу.
Дуговая сварка производит брызги и капли жидкого металла; сваренный
металл сохраняет высокую температуру в течении относительно большо-
го времени.
- Дуговая сварка выделяет газы, которые могут быть опасны.
- Защищайтесь сами и закрывайте непосредственно аппарат от других в
связи с потенциальной опасностью дуги.
ВНИМАНИЕ:
Напряжение питающей сети не должно превышать 235 В !
5. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Сварочный аппарат РУСИЧ представляет собой композицию однофазного
трансформатора и возбудителя-стабилизатора дуги. обеспечивающего облег-
ченное зажигание дуги, а также се стабилизацию и мгновенное восстановле-
ние в моменты “просечек" дуги. Это придаст дуге свойства "мягкости горе-
ния’*. уменьшение количества брызг и искр во время сварки и. как следствие,
возможность сварки высоколегированных сталей, нержавейки, алюминия,
чугуна и т.п.
Устройство аппарата приведено на рис. I.
Электрическая схема аппарата приведена на рис. 2.
ВНИМАНИЕ:
Аппарат находится в состоянии готовности только при вклю-
ченной вентиляторе
РУСИЧ 165
Фиг. 12
2206
ЮА ИНЕРЦИОННЫЙ
— >W»o&6
LU
*Jh ЯетгитТБОО НМ 040*25*11
W£1O 7*01.15 8 kemfpukE.
-«,.1—0 Wia8 провод, монт
СВАРОЧНЫЙ
АППАРАТ
БУДЕ МНОГО
3»J08
8P-2-33Q
МБ ГВ’
160,0*5008
_ «ли
МБГО
5*30,8 *300 &
МАЛО- .
МОЦНЫИ
feArtJcrop
На ЭЮ в
2,в300в
.«• Ц»Ч 11*^1
о.вЫР
wl=300
02
СЛОВА
железо 45x25 Зс=Чг5о^г
ОТ СТАНДАРТНЫХ ТРДНСФОРМА-
ТОРО& ТСД-270 или ТСМ-ТвО
SOxSQxfAO ММ1
\Weo5S =300^0,15
M м&до- ^2 кг
С ПОЛОВИНА) Площади X У ОвЩАЯ МАССА 10И1 КГ "для мьди
СМ
50НП ЛВН-Г7Ч
50 ммх 0,05мм
вдциалаоА 2Дг ДЦ
ХЙАДАДОНЫ /гЭЛБКТРОДА Р
zaSJJWA S + 4 |
IT зав 52jA
Коммутация
ПЕРЕМЫЧКАМИ
верхняя ПАНЕЛЬ - 4МАЛ ТЕКСТОЛИТ, ОДЕРЖИТ
ьёсь ОЛОНТАЖ С ВЕНТИЛЯТОРОМ. CAJA ЭШ,ИГч
вез ДВУХ ГРЖНЕ.Я — ТЕКСТОЛЛЛТ С>5аплл.
^“9 КГ "ЭлЯ АЛМ>а.
' .... ' .-1 CU-
- КЛЮЧ НА ТОРОИДАЛЬНОМ 6UWM
СЕРДЕЧНИКЕ 0Я*14хЮмм
И5 ПЕРЛ1АЛЛОЯ т«ВЗг
50 НП ЛЕНТА 40x0,05'*'*'
W^bx'iSo 00,31
CETbE
UK
В КОНЦЫ бинтов
вмонтировать
Сили НАВАРИТЬ)
B0A*PttM4
ТЕКСТО-
ЛИТ
50 вТ
Тгов
ТтГссСА/ £f /7 X2 /<?
JI'ел$. ее/
_ Mb Г в — /Рем*'# *- БТЮ Тмл
МьТЦ - g x 2/7М£Ф X 257>7>МАГ &/)tf
/ftp 2-/3 20M*9 хрЗТТмг xtf
/Гх/Змхь
2 2^Bmi
у - /!^еГесг
2t Ом x3222
/2й мф x /'2<С
P>P
ft .2 м A/f /2
'х^&г/г. ft>2w /72 Г2
Гг - 3/Я ^/т/г - 77.9 ТА -T’JTW.
С ^-//,2Sc2cr геяеА^
эерс УЛЛуГ-г?# f7 7/т>1/ 3 ff Аг
3<? ЛСг TZ
7~р^ Я ер лм л л && 52 л/2
Tpij р-еррат /5Р0//М f2pPt>/7^)
Ф У С У 2 2 У// _ „
7Г -2Ш 2 /72/ttf/V ~
///С 2<слес ел .егл<глд 2 е>еЗ
ЛЛг М П.
2198078
Стр. 1
(19) RU (11)2198078(13)01
(51) 7 В23К9/00, H01F38/08, H01F27/25
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Статус: по данным на 27.10.2008 - может прекратить свое действие
(21) Заявка: 2001134969/02
(22) Дата подачи заявки: 2001.12.26
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.12.26
(45) Опубликовано: 2003.02.10
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1839648 АЗ,
30.12.1993. SU 1077022 А, 28.02.1984. RU 2103760 С1, 27.01.1998. SU
16774, 30.09.1930. JP 52090033, 28.07.1977. JP 6005445, 14.01.1994.
(71) Заявитель(и): Будённый Анатолий Павлович
(72) Автор(ы): Будённый А.П.
(73) Патентообладателе и): Будённый Анатолий Павлович
Адрес для переписки: 119296, Москва, а/я 98, Л.Г.Багяну
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЕГО МАГНИТОПРОВОДА
Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для электродуговой сварки и способу изготовления магнитопровода, и
может найти применение в сварочных аппаратах для получения переменного тока с падающей вольтамперной характеристикой. Первый участок
замкнутого магнитопровода выполнен с сечением, обеспечивающим его насыщение на холостом ходу, и на нем расположена вторичная обмотка
трансформатора устройства, электрически связанная с электродным и заземляемым выходами. Второй его участок выполнен с сечением,
обеспечивающим ненасыщение на всех режимах работы, и на нем расположена первичная обмотка, электрически связанная через дроссель с сетью
переменного напряжения. Дроссель имеет магнитопровод и основную обмотку на его первом участке, включенную последовательно согласно с
первичной обмоткой трансформатора и охватывающую второй участок магнитропровода трансформатора. Первичная обмотка трансформатора
охватывает первый участок магнитопровода дросселя. Согласно второму варианту первичные обмотки трансформатора и дросселя образуют общую
обмотку, которая расположена на первом участке магнитопровода трансформатора, на втором участке которого, выполненном с сечением,
обеспечивающим его насыщение на холостом ходу, расположена вторичная обмотка. На третьем участке расположена дополнительная обмотка
дросселя с возможностью последовательного ее подключения согласно с общей обмоткой. По третьему варианту устройство имеет магнитные ключи,
индукционный фильтр, виток индуктивности смещения и формирователь импульсов возбуждения и выходы для соединения с обслуживаемым
сварочным трансформатором. Для получения переменного сечения магнитопровода предварительно изготовленные мерные отрезки стальных листов
при навивке периодически накладывают в места увеличения сечения между соседними витками навиваемой ленты. Технический результат заключается
в снижении веса устройства и улучшении его технико-экономических показателей. 4 с. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для электродуговой сварки и способу изготовления магнитопровода,
используемого в этих устройствах для получения источника переменного тока с падающей вольтамперной характеристикой, и может найти применение
в сварочной технике.
Известно устройство для электродуговой сварки (сварочный трансформатор), содержащее силовой трансформатор, первичная обмотка которого
первым выводом подключена к первому выводу питающей сети переменного тока, а выводы вторичной обмотки являются выходными выводами (см.
а.с. СССР 1563910, кл. В 23 К 9/10 от 24.05.1988).
Однако известное устройство имеет большие габариты, так как силовой трансформатор в нем работает в ненасыщенном режиме, а требование
значительного напряжения во вторичной цепи для загорания дуги противоречит условиям безопасности сварщика и не позволяет уменьшить габариты
трансформатора.
Известен способ изготовления магнитопровода в устройствах для электродуговой сварки, заключающийся в навивке его из стальной ленты на оправку
(см. патент РФ 2091883, кл. Н 01 F 38/08, опубл. 27.09.1997).
Однако, несмотря на минимальные массогабаритные показатели, известный способ не позволяет получить магнитопровод с заданным переменным
сечением без усложнения процесса изготовления.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для электродуговой сварки, содержащее
трансформатор с магнитопроводом, вторичной обмоткой, предназначенной для электрической связи с электродным и заземляемым выходами, и
первичной обмоткой, электрически связанной через дроссель с сетью переменного напряжения, формирователь импульсов возбуждения, соединенный
выходом с электродным выходом, и три конденсатора (см. патент СССР 1839648, кл. В 23 К 9/10 от 21.09.1990).
Известное устройство стало основным типом во всем мире, так как оно позволило уменьшить вес в 3-5 раз, уменьшить потребляемый от сети ток (или
увеличить сварочный ток при заданном токе сети) вдвое, удобно организовать возбуждение и стабилизацию сварочной дуги, дистанционно (без
касания) без применения каких-либо электронных приборов, только с помощью магнитных ключей и конденсаторов. При этом снизился вес "железных"
аппаратов до уровня "электронных" (инверторных) при многократно меньшей цене и высокой надежности, свойственной сварочным трансформаторам.
Из этих известных сварочных устройств самым перспективным оказалось устройство по п. 4 упомянутого патента, а именно когда силовой
трансформатор выполнен с развитым магнитным рассеянием первичной обмотки, так что в режиме максимального тока дуги дроссель не включается,
а только в режимах меньших токов. Тогда вес дросселя оказывается существенно меньшим. Тем не менее его вес составляет 1/3-1/4 от веса
трансформатора.
Второй недостаток известного устройства связан со специфическими свойствами сварочного трансформатора, отличающими его от любого обычного
трансформатора. Далее будут более подробно приведены расчетные формулы, конкретно показывающие это. Любой трансформатор характеризуется
"габаритной мощностью". Эта мощность пропорциональна квадрату площади стали и площади меди в первой степени и обратно пропорциональна
htt р: //www. fip s. ru/cdfi/fip s. dll?
03.11.2008 15:06:00
2198078
Стр. 2
длине витка. Одна и та же габаритная мощность может быть получена при разном сочетании этих параметров, то есть разной форме трансформатора,
и существует только одна форма, минимизирующая вес или стоимость трансформатора, так как стоимость меди и стали сильно различается.
Сварочный трансформатор в устройствах для электродуговой сварки в отличие от любого трансформатора должен еще иметь определенный ток
короткого замыкания (ток КЗ). И вот трансформатор с развитым магнитным сопротивлением первичной обмотки с оптимальной формой имеет слишком
большой ток КЗ, то есть магнитное рассеяние оказывается недостаточным, то есть индуктивность рассеяния слишком мала. Для достижения нужного
тока КЗ приходится увеличивать витки, то есть площадь меди, уменьшая площадь стали, и трансформатор уходит от оптимальной формы.
Техническим результатом является снижение веса устройства, улучшение его технико-экономических показателей и упрощение его изготовления.
Достигается это тем, что устройство для электродуговой сварки содержит трансформатор с замкнутым магнитопроводем, первый участок которого со
вторичной обмоткой, предназначенной для электрической связи с электродным и заземляемым выходами, выполнен с сечением магнитопровода,
обеспечивающим его насыщение на холостом ходу, а второй участок с первичной обмоткой - ненасыщение, дроссель, имеющий основную обмотку на
первом участке магнитопровода, включенную последовательно согласно с первичной обмоткой трансформатора для электрической связи с сетью
переменного напряжения, и имеющий второй участок магнитопровода, основная обмотка дросселя охватывает ненасыщающийся второй участок
магнитопровода трансформатора, первичная обмотка которого охватывает первый участок магнитопровода дросселя, причем дроссель может быть
снабжен секционированной обмоткой, расположенной на втором участке его магнитопровода, с возможностью последовательного подключения ее
секций согласно с основной обмоткой дросселя, а замкнутый магнитопровод трансформатора между первым и вторым участками выполнен с
переменным сечением, обеспечивающим при работе на холостом ходу границу между насыщенной и ненасыщенной его частями в определенном месте,
а магнитопровод дросселя на его первом участке выполнен с сечением, обеспечивающим на рабочем ходу ненасыщенный режим работы, а на
остальном участке выполнен с переменным сечением, обеспечивающим на рабочем ходу границу между насыщенной и ненасыщенной его частями в
определенном месте этого участка, кроме того, участки магнитопроводов трансформатора и дросселя, охваченные первичной и основной обмотками
трансформатора и дросселя, соответственно могут быть сближены до образования единого стержня.
Согласно второму варианту изобретения устройство для электродуговой сварки содержит трансформатор и дроссель, первичные обмотки которых
включены последовательно для подключения к сети переменного напряжения и образуют общую обмотку, которая расположена на первом участке
магнитопровода, на втором участке которого, выполненном с сечением, обеспечивающим его насыщение на холостом ходу, расположена вторичная
обмотка трансформатора, предназначенная для электрической связи с электродным и заземляющим выходами, а на третьем его участке расположена
дополнительная обмотка дросселя с возможностью последовательного ее подключения согласно с общей обмоткой, кроме того, дополнительная
обмотка дросселя выполнена секционированной, а магнитопровод между вторым и первым участками может быть выполнен с переменным сечением,
обеспечивающим при работе на холостом ходу границу между насыщенной и ненасыщенной его частями, а также магнитопровод на его третьем
участке и между первым и третьим участками может быть выполнен с переменным сечением, обеспечивающим на рабочем ходу границу между
насыщенной и ненасыщенной его частями.
Согласно третьему варианту изобретения технический результат достигается тем, что устройство для электродуговой сварки содержит трансформатор
с замкнутым магнитопроводом, первый участок которого, на котором расположена вторичная обмотка, выполнен с сечением, обеспечивающим его
насыщение на холостом ходу, и дроссель с воздушным зазором в магнитопроводе, причем второй участок магнитопровода трансформатора и первый
участок магнитопровода дросселя, выполненные с сечением, обеспечивающим ненасыщенный режим их работы, охвачены общей обмоткой, причем
устройство снабжено первым и вторым магнитными ключами, формирователем импульсов возбуждения, индукционным фильтром, витком
индуктивности смещения и тремя конденсаторами, причем вторичная обмотка трансформатора выполнена с возможностью подключения первого
вывода к заземляемому выходу обслуживаемого сварочного трансформатора, к которому подключены земляные выводы первого магнитного ключа и
формирователя импульсов возбуждения, вторым выводом вторичная обмотка трансформатора через первый конденсатор подключена ко входному
выводу первого магнитного ключа, выходной вывод которого через второй конденсатор соединен со входом формирователя импульсов возбуждения,
который через третий конденсатор подключен к земляному выходу и через второй магнитный ключ соединен с потенциальным выходом
обслуживаемого сварочного трансформатора, который через последовательно соединенные виток индуктивности смещения и индуктивный фильтр
подключен к электродному выходу, который соединен с выходом формирователя импульсов возбуждения, при этом магнитные ключи включены
последовательно с вышеуказанной общей обмоткой для подключения к выходам обслуживаемого сварочного трансформатора.
Кроме того, поставленный технический результат может быть достигнут тем, что в способе изготовления магнитопровода в устройствах для
электродуговой сварки, заключающемся в навивке его из стальной ленты на оправку, для получения переменного сечения по длине магнитопровода
предварительно изготавливают размеренные отрезки стальных листов и при навивке периодически накладывают их в места увеличения сечения
магнитопровода между соседними витками навиваемой ленты.
Сущность изобретения заключается в том, что выполнение устройства для электродуговой сварки вышеописанным образом позволяет минимизировать
сечение магнитопровода и обеспечить работу устройства со значительным увеличением сварочного тока.
На фиг. 1а, б, в представлена конструктивно-электрическая схема первого варианта предложенного устройства, на фиг. 2 - его эквивалентная схема, на
фиг. За, б, в, г - принципиальная электрическая схема предложенного устройства с различными вариантами выполнения магнитопровода
трансформатора, на фиг. 4 - график для расчета тока холостого хода (тока XX) и его третьей гармоники, на фиг. 5 - временная диаграмма
виртуального напряжения вторичной обмотки, напряжения на дуге и ток дуги, на фиг.6 - графики для расчета тока рабочего хода устройства, на
фиг. 7а, б - конструктивно-электрическая схема второго варианта предложенного устройства, на фиг. 8 и фиг. 9 - варианты конструктивного исполнения
магнитопроводов, на фиг. 10 - характеристики сталей для расчета магнитопроводов устройства, на фиг. 11 - иллюстрация для способа изготовления
магнитопровода, на фиг. 12 - третий вариант предложенного устройства.
Устройство для электродуговой сварки (фиг. 1) содержит трансформатор с замкнутым магнитопроводом, первый участок 1 которого со вторичной
обмоткой 2 выполнен с сечением магнитопровода, обеспечивающим его насыщение на холостом ходу, а второй участок 3 с первичной обмоткой 4 -
ненасыщение.
Кроме того, устройство содержит дроссель, имеющий основную обмотку 5 на первом участке 6 магнитопровода, включенную последовательно согласно
с первичной обмоткой 4 трансформатора для электрической связи с сетью 7 переменного напряжения и имеющий второй участок 8 магнитопровода.
Основная обмотка 5 дросселя охватывает ненасыщающийся на всех режимах работы второй участок 3 магнитопровода трансформатора, первичная
обмотка 4 которого охватывает первый участок 6 магнитопровода дросселя.
Дроссель снабжен секционированной обмоткой 9, расположенной на втором участке 8 его магнитопровода с возможностью последовательного
подключения ее секций согласно с основной обмоткой 5 дросселя.
Вторичная обмотка 2 трансформатора предназначена для электрической связи с электродным и заземляемым выходами 10 и 11 соответственно.
Параллельно входной цепи аппарата, подключаемой к сети 7 переменного напряжения, может быть подключен конденсатор 12 для компенсации
реактивного тока.
Замкнутый магнитопровод трансформатора на интервалах между первым и вторым участками 1 и 3 может быть выполнен с переменным сечением,
обеспечивающим при работе на холостом ходу границу между насыщенной и ненасыщенной его частями в определенном месте каждого интервала.
Магнитопровод дросселя на его первом участке 6 может быть выполнен с сечением, обеспечивающим на рабочем ходу ненасыщенный режим работы,
а на остальном участке выполнен с переменным сечением, обеспечивающим на рабочем ходу границу между насыщенной и ненасыщенной его частями
в определенном месте этого участка.
Магнитопровод дросселя может содержать воздушный зазор.
Участки 3 и 6 магнитопроводов трансформатора и дросселя, охваченные первичной и основной обмотками 4 и 5 трансформатора и дросселя,
соответственно могут быть сближены до образования единого стержня (фиг.1в).
Эквивалентная схема предлагаемого устройства (фиг. 2) дополнительно содержит индуктивность 13 рассеяния, условно относимую ко вторичной
обмотке 2 трансформатора.
http://www.fips.ru/cdfi/fips.dll? 03.11.2008 15:06:00
2198078
Стр. 3
Секционированная обмотка 9 дросселя служит для включения при режимах малых токов, при этом второй участок 8 магнитопровода может
насыщаться, что отражено на фиг.2.
Устройство для электродуговой сварки по второму варианту (фиг.7а) содержит трансформатор и дроссель, первичные обмотки которых включены
последовательно для подключения к сети 7 переменного напряжения и образуют общую обмотку 15, которая расположена на первом участке 16
магнитопровода.
На втором участке 17 магнитопровода, выполненном с сечением, обеспечивающим его насыщение на холостом ходу, расположена вторичная обмотка 2
трансформатора, предназначенная для электрической связи с электродным и заземляющим выходами 10 и 11 соответственно.
На третьем участке 18 магнитопровода расположена дополнительная обмотка 9 дросселя с возможностью последовательного ее подключения согласно
с общей обмоткой 15, причем дополнительная обмотка 9 дросселя может быть выполнена секционированной.
Магнитопровод между вторым и третьим участками 17 и 18 может быть выполнен с переменным сечением, обеспечивающим при работе на холостом
ходу границу между насыщенной и ненасыщенной его частями.
Кроме того, магнитопровод на его третьем 18 участке и между первым и третьим участками 16 и 18 также может быть выполнен с переменным
сечением, обеспечивающим на рабочем ходу границу между насыщенной и ненасыщенной его частями.
Второй вариант предложенного устройства может быть выполнен согласно фиг.76, при этом часть витков вторичной обмотки 2 трансформатора
расположена на первом участке 16 магнитопровода.
В варианте исполнения магнитопровода, представленном на фиг.8, магнитопровод дросселя повернут на 90° относительно магнитопровода
трансформатора, что создает конструктивное удобство расположения в корпусе готового аппарата.
Представленный на фиг. 9 вариант расположения (исполнения) магнитопроводов дополнительно содержит участок 19 магнитопровода, расположенный
между участком 3 магнитопровода трансформатора и участком 6 дросселя, что позволяет оптимизировать размещение вторичной обмотки
трансформатора.
При этом магнитопровод дросселя повернут на 180° относительно магнитопровода трансформатора.
Вариант устройства по фиг. 12, кроме самостоятельной работы на малых токах, может также работать в комплекте с более мощным сварочным
аппаратом (обслуживаемым сварочным трансформатором) для обеспечения возбуждения и стабилизации сварочной дуги последнего.
Устройство для электродуговой сварки (фиг. 12) содержит трансформатор с замкнутым магнитопроводом, первый участок 1 которого, на котором
расположена вторичная обмотка 2, выполнен с сечением, обеспечивающим его насыщение на холостом ходу, и дроссель с воздушным зазором в
магнитопроводе. Второй участок 3 магнитопровода трансформатора и первый участок 6 магнитопровода дросселя, выполненные с сечением,
обеспечивающим ненасыщенный режим их работы, охвачены общей обмоткой 15, причем устройство снабжено первым и вторым магнитными ключами
20 и 21, формирователем 22 импульсов возбуждения, индукционным фильтром 23, витком 24 индуктивности смещения и тремя конденсаторами 25-27.
Вторичная обмотка 2 трансформатора выполнена с возможностью подключения первого вывода к заземляемому выходу 11 обслуживаемого сварочного
трансформатора, к которому подключены заземляемые выводы 28 первого магнитного ключа 20 и формирователя 22 импульсов возбуждения, вторым
выводом вторичная обмотка 2 трансформатора через первый конденсатор 25 подключена ко входному выводу первого магнитного ключа 20, выходной
вывод которого через второй конденсатор 26 соединен со входом формирователя 22 импульсов возбуждения, который через третий конденсатор 27
подключен к заземляемому выходу и через второй магнитный ключ 21 соединен с потенциальным выходом 29 обслуживаемого сварочного
трансформатора. Потенциальный выход 29 через последовательно соединенные виток индуктивности смещения 24 и индуктивный фильтр 23
подключен к электродному выходу 10, который соединен с выходом формирователя 22 импульсов возбуждения, при этом магнитные ключи 20 и 21
включены последовательно с вышеуказанной общей обмоткой 15 для подключения к выходам 29 и 30 обслуживаемого сварочного трансформатора.
Устройство работает следующим образом.
Устройства для электродуговой сварки с использованием насыщающихся участков магнитопровода трансформатора являются новыми устройствами.
Поэтому для лучшего понимания их работы ниже приведены методика расчета и расчетные формулы, позволяющие реализовать предлагаемое
изобретение.
При рассмотрении фиг. За устройство содержит дроссель с ненасыщающимся магнитопроводом и основной обмоткой 5, которая включена
последовательно с первичной обмоткой 4 трансформатора, имеющего вторичную обмотку и насыщающийся магнитопровод на всех участках.
Обмотки трансформатора выполнены с минимальной индуктивностью рассеяния.
При насыщении магнитопровода трансформатора его индуктивность рассеяния падает до нуля и в первичной цепи остается только индуктивность
дросселя Ьдр.
В случае если после насыщения отдельных участков магнитопровода трансформатора (фиг. 36, в, г) индуктивность рассеяния трансформатора Ц-р не
равна нулю, то она суммируется с Ьдр и составляет Ьрд£. Расчетные формулы для токов в первичной обмотке 4 трансформатора и обмотке 5
дросселя на холостом ходу представлены ниже.
U
L
I С Эф] = ---------X
1 т 2П£*L
НДС
U
I С Эф]
2
2ПГ *L
НДС
— *Сф
П НДС
- sinlp *сонф
НДС НДС
U
I С Эф]
III т
L 4 3
-------- •sin ф •с о s ф
2П£*L ЗП НДС НДС
НДС
htt р: //www. fip s. ru/cdfi/fip s. dll?
03.11.2008 15:06:00
2198078
Стр. 4
и
L 4 3
I С Эф] = ---------------- ----*sin ф *сонф X
V т 2П£ *L ЗП НДС НДС
НДС
Г 8 Z 1
X 1-—sin ф
I 5 НДС1
где U|_ - напряжение на индуктивности L|_^q;
L|_|ac ' индуктивность цепи после насещения;
F - - * w* Л
> — созф^^^ — 4, -"заполненность", то есть показывает, какая часть из приложенного к индуктивной цепи напряжения
L
"заполнена" доведенным до насыщения Bg магнитным материалом;
Ц - эффективное значение тока в цепи; Sq - площадь стали;
1| - эффективное значение первой гармоники; f- частота сети;
1щ - эффективное значение третьей гармоники; W - число витков;
1у - эффективное значение пятой гармоники;
СрНАС ’ угол нась|Ш1ения (в радианах).
В данном случае напряжение на индуктивности (дросселе) U|_ равно напряжению сети. Эксперименты показывают хорошее совпадение с расчетом.
При этом, как очевидно, насыщается весь магнитопровод трансформатора.
На фиг.Зб показан магнитопровод трансформатора, "обрезанный" со стороны вторичной обмотки. Сечение магнитопровода со стороны первичной
обмотки выбрано так, что эта часть магнитопровода находится на границе насыщения при данном напряжении сети, то есть для стержня первичной
обмотки ^=1. Тогда стержень вторичной обмотки на холостом ходу "зайдет за насыщение", то есть будет . Эксперименты показывают, что в этом
случае все токи в точности совпадают со случаем на фиг. За, то есть насыщение стержня не изменяет индуктивность.
На фиг. Зв показан магнитопровод, обрезанный на середине ярма. Эксперименты показывают, что в этом случае все токи (все гармоники) при
насыщении на холостом ходу увеличиваются, и при обрезании в районе стержня первичной обмотки увеличение может быть 2,5 раз. В то же время
при работе на рабочем ходу уменьшение индуктивности не происходит, то есть сварочный ток остается тем же.
Таким образом, можно выбирать место, где будет происходить насыщение. На фиг. Зг показан магнитопровод, где насыщается стержень вторичной
обмотки, то есть токи на холостом ходу будут, как в случае на фиг.За и 36, но сечение выбрано переменным, обеспечивающим ненасыщенный режим
на остальных участках и экономию стали. Такие магнитопроводы вначале рассчитываются приближенно, а затем в них вматываются измерительные
витки и определяются реальные индукции в сечениях и доводятся до нужных.
На фиг. 4 показаны графики для эффективного тока и третьей гармоники тока, рассчитанные по приведенным выше формулам. Если "обрезание"
сделано как на фиг. Зв, то необходимо брать соответствующий коэффициент. В любом случае это уточняется экспериментом.
На фиг. 5 показаны временные диаграммы напряжений и токов в сварочном трансформаторе с ограничением тока индуктивностью с насыщающимся
участком. Напряжение на дуге - меандр, сдвинутый по фазе относительно приведенного напряжения сети. Напряжение, приложенное к индуктивности,
есть разность напряжения сети (приведенного) и напряжения на дуге. Приращение тока индуктивности пропорционально интегралу приложенного
напряжения, то есть ток нарастает, пока оно положительно (пока не будем обращать внимание на насыщение одной части индуктивности). В момент
нуля напряжения имеет место максимум тока, затем ток уменьшается. Площадь над меандром строго равна площади под меандром, и это определяет
фазу напряжения на дуге. Если в начальный момент возбуждения дуги фаза оказалась не та (в общем случае так оно и будет), то следует переходный
процесс установления фазы, причем он может оказаться и неустойчивым (это вызывает неудачи попыток зажечь дугу).
Представим, что индуктивность распределена по трансформатору и дросселю (фиг. 1) и эквивалентная схема на фиг.2. Тогда на дуге будет меандр
(средневыпрямленное напряжение меандра равно эффективному, у синусоидального напряжения средневыпрямленное в 1,11 раза меньше, поэтому
тестеры, то есть измерительные вольтметры детекторной системы, имеют эту поправку для перевода средневыпрямленного напряжения в
эффективное. Это может создавать ошибки и не отражено в ГОСТах на сварочное оборудование). В крайней левой точке эквивалентной схемы фиг.2
напряжение равно приведенному напряжению сети, то есть синусоиде Е'. В промежуточных точках магнитопровода оно плавно переходит между этими
двумя напряжениями. Если бы напряжения были синусоидальными, то их сумма находится как корень квадратный из суммы квадратов, но это не так.
На фиг.5 показано суммирование меандра с 0,2 и 0,3 частью напряжения на индуктивности. Можно видеть, что при 5=0,2 средневыпрямленное
напряжение (и максимальный магнитный поток и индукция в магнитопроводе) вообще не добавляется, а добавки начинаются только с 0,3, причем это
суммирование происходит по более сложному закону. Из этого следует, что при индуктивности рассеяния, связанной с ярмом трансформатора (фиг. 1),
около 0,3 от суммарной индуктивности увеличение площади этой части магнитопровода не требуется.
Введем теперь определения и приведем расчетные формулы:
htt р: //www. fip s. ru/cdfi/fip s. dll?
03.11.2008 15:06:00
2198078
Стр. 5
F
где 2др = 2fff«L-j-p - номинальное индуктивное сопротивление трансформатора со стороны первичной обмотки с закороченной вторичной обмоткой и
закороченными секционированными обмотками дросселя, измеренное в режиме, исключающем насыщения (например, индуктометром);
U|_ - напряжение на индуктивности;
Ср - фазовый сдвиг между напряжением сети и на дуге;
Y - отношение индуктивности, вызванной воздушным зазором в дросселе к номинальной индуктивности трансформатора;
^ЛЕВ ' заполненность дросселя в минимальном сечении по отношению к напряжению сети;
W-pp - витки первичной обмотки;
\Л/др - витки секционной обмотки дросселя, включенные последовательно в данном режиме, в режиме максимального тока нулевые;
функции на фиг.4;
F - функция, построенная по этим формулам на фиг.6.
Обратившись к фиг.5, видим, что после переключения тока дуги от отрицательного к положительному, ток нарастает по близкой к синусоиде кривой,
пока не насытится магнитопровод дросселя в узком сечении. Индуктивность уменьшается и ток нарастает более энергично. Если таких участков
несколько, то приходится "сшивать" вышеприведенные формулы.
Заметим, что существует YkP
ДР
КР
ДР
Если V меньше ее, то магнитопровод вообще не насыщается. Это может иметь место при подключении секционированных обмоток дросселя в
режимах малых токов. Заметим также, что индуктивность дросселя (и Y, конечно) пропорционально квадрату числа витков. Ток дуги может быть
рассчитан через отношение витков первичной и вторичной обмоток.
Теперь приведем расчетные формулы и числовой пример для понимания специфики сварочного трансформатора:
Е*1
НОМ СЕТИ
1+Т -Ррдс
с
I = -----------------------------
д о,э*и
д
о, эи Р
Д РАС
cosip = ------- + —------
Е Е •!
Д
sinlp
/ 2^
Tl-cos ф
I
ZK3
sinlp
I
1КЗ
Е' •!
_____Д
Е*н±пф
htt р: //www. fip s. ru/cdfi/fip s. dll?
03.11.2008 15:06:00
2198078
Стр. 6
где Е - напряжение сети;
Е' - приведенное ко вторичной обмотке напряжение (оно обрезано);
IНОМ ’ номинальный ток сети;
<^СЕТИ ’ принятая перегрузка сети (при = 1,7 ПВ=33%);
f^c- "уступка" в полном использовании тока сети из-за неполной емкостной компенсации, при С,с = 0,1-0,2 компенсирующая емкость может быть
вдвое меньше;
Ррдс ’ рассеиваемая на сопротивлении обмоток мощность;
- напряжение дуги (осциллографическое);
Iq - емкостной ток;
Ср - фазовый сдвиг тока дуги к напряжению Е'.
Например, пусть есть сеть 220 В, 16 А, перезагрузка = 1,7, Ррдс= 700 Вт, 11д= 16 В (аргонодувная сварка), Е-36 В (это достаточно для такой
дуги), = 0,15, расчет дает 1Д=313 A, cos£p=0,462, sinfp=0,887, ^р^рЗбЗ А, 1^3= 57,7 A, Iq/1^3= 0,551, Iq=31,9A, С=462 мкФ. Проверим
векторный ток рабочего хода:
I
IPX
Z3,7A-J*45,4А
Конденсатор компенсирует 31,9 А индуктивного тока, остается 13,5 А. Рабочий ток аппарата есть корень квадратный из суммы квадратов активного и
реактивного токов, то есть 27,2 А. Допустимый ток сети 16и1,7=27,2 А, то есть в точности совпал с рассчитанным, что подтверждает точность
приведенных выше формул.
Теперь представим, что при тех же условиях емкостная компенсация не применяется. Тогда при допустимом токе из сети 27,2 А ток дуги 162 А, то
есть вдвое меньше. Поэтому очевидна необходимость емкостной компенсации. Но на холостом ходу будет течь емкостный ток 31,9 А, что
неприемлемо. Поэтому трансформатор должен проектироваться со значительным индуктивным током холостого хода. Мы принимаем его 0,8 от тока
Iq, в данном случае 25,5 А или 0,442 от тока Точный расчет тока холостого хода аппарата можно провести по графикам на фиг.4. Для данного
случая ^=0,45, нескомпенсированная первая гармоника 6,4 А и третья гармоника 8,6 А. Токи складываются как ортогональные векторы, ток холостого
хода будет 10,7 А, что может быть приемлемо.
Но существует причина, по которой нельзя снижать заполненность^. Если Е,Ги^<и, то наступает режим прерывистого тока дуги, поэтому уменьшать
меньше 0,5 нежелательно. При этом можно видеть, что тока холостого хода не хватает для компенсации емкостного тока. В этом случае
целесообразно делать операцию, показанную на фиг. Зв, то есть обрезать ближе к второму участку.
Введем определение габаритной мощности:
Z
Z ,2 С4,44*В *S *£) *S
Е Е М с М
Р = --------------7— = ---------7— = --------------------------------j-
ГДЕ (г +г > (г +г > 4*0*1
1 Z Z 1 М
где г^, Г2 - сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора;
г'^, г'2 - приведенное сопротивление обмоток к другим обмоткам;
Вт - максимальная индукция в стержне первичной обмотки;
Sq - геометрическое сечение магнитопровода;
f - частота сети;
- чистая площадь меди;
htt р: //www. fip s. ru/cdfi/fip s. dll?
03.11.2008 15:06:00
2198078
Стр. 7
Р - удельное сопротивление провода (меди);
1|^ - средняя длина витка.
По первым формулам рассчитывается Ргад готового трансформатора, по последней - проектируемого. Заметим, что мы принимаем Вт=1,95 Тл на
геометрическую площадь магнитопровода (без учета коэффициента заполнения стали), площадь меди считаем чистой. Так удобно при проектировании
трансформатора и измерениях.
Через Ргаб легко расчитываются многие параметры. Например, Ррас:
ррас=(Е'-1д)/Ргаб=(Е.Ирх)/Рга5.
Отсюда видно, как сильно Ррас и Ргад зависят от напряжения Е'. Раньше снижение этого напряжения ограничивалось стабильностью возбуждения и
поддержания дуги, при наличии устройства для возбуждения дуги многие ограничения снимаются и габаритная мощность трансформатора может быть
снижена.
Вводим понятие критерия формы трансформатора:
Кр=<Ргаб)3/5/т-
где т - масса трансформатора. Так же может быть введен критерий по стоимости. Такой критерий замечателен тем, что не зависит от размеров
трансформатора, а только от его формы, то есть отношения между размерами. Поэтому он может служить объективным мерилом достижений
разработчика и показывает пути продвижения. Для справки - лучшие трансформаторы обычной конструкции имеют Кр=90-100, "обрезанные" достигают
125. Рассчитывая варианты, можно найти оптимальную форму, а затем масштабированием сразу получить размеры.
Габаритная мощность пропорциональна пятой степени линейного размера, сварочный ток - третьей степени.
Итак, если емкостная компенсация не применяется, то И ^/11^ в пределах 0,1-0,3, если применяется - то от 0,35 до 0,45 в зависимости от
отношения Е'/Пд.
Теперь, после разъяснении требований к сварочному трансформатору, можно более ясно описать предлагаемое устройство и принцип его работы по
фиг. 1.
Вторичная обмотка 2 трансформатора выполнена с отводами для подключения дуги с разными напряжениями. Например, для аргонодуговой сварки это
16 В, для штучных электродов 23 В, встречаются электроды с толстым покрытием, имеющие напряжения более 30 В. Кроме того, напряжение в сети
может падать, и тогда обмотка с большим напряжением позволяет выполнить сварку, хотя и меньшим током.
Как показано выше, первый участок 1 магнитопровода на холостом ходу насыщается. Если магнитопровод выполнен, как на фиг.36, то насыщение
будет точно по границе участка 1, если же он выполнен в форме фиг.Зв, то граница насыщения может быть передвинута вплоть до участка 3.
На участке 8 имеется секционированная обмотка 9, которая с помощью переключателя может соединяться с обмоткой 5 для регулировки сварочного
тока и присоединяться к сети. На фиг. 1 переключатель показан в режиме максимального тока дуги, то есть соединение идет помимо обмотки 9. Для
компенсации индуктивного тока может быть присоединен конденсатор 12. В режимах меньших токов дуги емкость конденсатора может быть
уменьшена, а при самых малых токах он может отключаться.
Эквивалентная схема (фиг. 2) помогает понять работу устройства. Индуктивность рассеяния 13 может быть условно отнесена к первичной обмотке,
индуктивность 14 - к вторичной обмотке. Физически они образуются полем рассеивания, проходящим в воздухе, вне магнитопровода. Индуктивность
дросселя образуется в воздушном зазоре (фиг. 1). Она может уменьшаться при насыщении участка 8. Индуктивность 14, хотя она и находится в
воздухе, может также уменьшаться до 2,5 раз, если насыщение магнитопровода происходит, как на фиг.Зв.
При работе на холостом ходу XX участок 1 (фиг. 1) насыщается, что в эквивалентной схеме на фиг. 2 соответствует падению напряжения до нуля на
обмотке 4. Тогда на все индуктивности в эквивалентной схеме приходится напряжение Е (1-^), например, 220 В (1-0,5), то есть 110 В. При работе на
рабочем ходу РХ на индуктивность приложено напряжение U|_ = Esinfp, например, 220 В»0,887= 195 В, то есть значительно больше, чем на холостом
ходу, поэтому именно на рабочем ходу есть возможность насыщения элементов этой индуктивности. Больше всего это возможно в узком сечении
вблизи воздушного зазора (фиг. 1).
На фиг. 3 дано пояснение перехода от полностью насыщающегося трансформатора с постоянным сечением стали с отдельным дросселем (фиг. За) до
трансформатора с развитым магнитным рассеянием и ярмами полного сечения (фиг.36), к трансформатору с "урезанным" магнитпопроводом (фиг.Зв) и
к трансформатору с магнитопроводом переменного сечения, где сечение насыщения может быть установлено в пределах от участка 1 до участка 3
(фиг. 1).
Доля тока холостого хода от тока короткого замыкания может быть найдена по графику Ц)(^) на фиг.4. Там же приведен график ф|||ф, то есть
третьей гармоники.
На графиках на фиг.6 может быть определен ток первичной обмотки, а по нему сварочный ток, как это показано в формулах в тексте. Там же
приведены формулы для расчета емкостного тока, компенсирующего индуктивный ток в режиме максимального тока дуги (самый критичный случай), и
индуктивный ток холостого хода, компенсирующий емкостный ток на холостом ходу. Эти формулы и графики позволяют найти сечения
магнитопроводов дросселя и трансформатора, удовлетворяющие как режиму рабочего хода РХ, так и режиму холостого хода XX. В общем случае
сечения будут переменными, как показано на фиг. 1. Расчет режимов меньших токов можно сделать по приведенным формулам и графикам и не будем
на этом останавливаться.
Показанный на фиг. 7а вариант устройства выполнен на пластинах стали Ш-образной формы. Соотношения ширины пластин принимается так же, как и
устройства на фиг. 1. В зависимости от необходимого тока холостого хода XX сечение ярма (интервала между первым и вторым участками 16 и 17)
принимается равным сечению стержня (участка 17) со вторичной обмоткой (в этом случае насыщение происходит вблизи центрального стержня -
участка 16 и ток холостого хода велик), или больше этого сечения (насыщение происходит на участке 17 вторичной обмотки 2 и ток холостого хода
минимальный).
На фиг. 76 показан вариант устройства, где вторичная обмотка 2 намотана частично на первом участке магнитопровода с первичной обмоткой 15. При
переключении вывода вторичной обмотки в сторону повышения напряжения (снижения тока) в этом случае автоматически снижается ток короткого
замыкания КЗ первичной обмотки 15 и уменьшается сварочный ток. Например, ток дуги может быть сделан от 400 до 100 А регулировкой только
вторичной цепи. Дальнейшее уменьшение тока производится подключением секционированной обмотки 9 дросселя.
htt р: //www. fip s. ru/cdfi/fip s. dll?
03.11.2008 15:06:00
2198078
Стр. 8
Работа варианта устройства на фиг. 8 аналогична работе устройства по фиг. 1. То же относится и к варианту на фиг. 9. Особенностью здесь может быть
то, что поле рассеивания вторичной обмотки 2 может влиять на секционированную обмотку 9 дросселя, что надо учитывать.
Работа устройства, показанного на фиг. 12, происходит следующим образом. Мощный сварочный трансформатор старых образцов обычного типа,
который назовем "обслуживаемый трансформатор", не имеет системы возбуждения и стабилизации дуги. К его выходной обмотке - потенциальному
выходу 29 и заземляемому выходу 30 может быть присоединена общая обмотка 15 трансформатора предложенного устройства. На этой обмотке из
синусоиды образуется "обрезанная синусоида". Через конденсатор 25 импульс с фронтом 0,8-1,5 мс подается на магнитный ключ 20, который
укорачивает его до 40-80 мкс. Через конденсатор 26 он заряжает конденсатор 27 до отрицательного напряжения. Магнитный ключ 21 держит площадь
напряжения время, определяемое его вольтсекундной площадью, а затем коротко замыкает вход устройства (и соответственно вторичную обмотку
обслуживаемого трансформатора) на заряженный конденсатор 27 и осуществляет возбуждение дуги согласно известному способу, описанному в
прототипе. Так как фронт уже укорочен ключом 20, то ключ 21 может иметь немного витков, и при насыщении его индуктивность насыщения мала и
короткое замыкание эффективно. Работа формирователя 22 и фильтра 23 аналогична идентичным узлам из патента 2155120, фиг. 16.
Магнитные ключи 20, 21 и формирователь 22 подготавливаются к работе током смещения обмотки 15. Возбуждение дуги описано выше.
Если дуга стабильно загорается каждые полпериода при переходе через нулевой ток, то на выходе обслуживаемого трансформатора напряжение
имеет вид меандра. Устройство со стержнем 1 не насыщается, импульсы возбуждения и ток смещения не вырабатываются. Но тут работает виток 24
индуктивности смещения, который током дуги подготавливает магнитные ключи.
Если в очередной переход тока дуги через нуль он не возобновится, имеет место скачок напряжения от -Нд (например, -23 В) до +e(t) (например, +50
В). Конденсатор 27 заряжен до -23 В, к ключу 21 приложено +50 В. После исчерпания его вольтсекундной площади он закорачивает выход
обслуживаемого трансформатора на заряженный конденсатор, осуществляя возбуждение (стабилизацию) дуги согласно известному способу из
вышеуказанного патента. При этом инерционные цепи обмотки 15 и 2, магнитный ключ 20 не успевают срабатывать, и этим режим стабилизации
отличается от режима возбуждения.
Во всех этих устройствах используются магнитопроводы переменного сечения. На фиг. 11 показано, как выполняются такие магнитопроводы.
Способ изготовления магнитопроводов в устройствах для электродуговой сварки заключается в навивке его из стальной ленты на оправку, причем для
получения переменного сечения по длине магнитопровода предварительно изготавливают размеренные отрезки стальных листов и при навивке
периодически накладывают их в места увеличения сечения магнитопровода между соседними витками навиваемой ленты.
При этом не только исключается трудоемкая обрезка магнитопровода трансформатора или дросселя до нужной формы, но и используются отходы
ленты. Более того, обычно на заводах скапливается много обрезков при намотке магнитопроводов, которые обычно идут в брак, а в предложенном
способе эти обрезки находят применение, что также удешевляет продукцию.
Таким образом, при использовании предложенных технических решений достигается поставленный технический результат.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство для электродуговой сварки, содержащее трансформатор с магнитопроводом, вторичной обмоткой, предназначенной для электрической
связи с электродным и заземляемым выходами, и первичной обмоткой, электрически связанной через дроссель с сетью переменного напряжения,
отличающееся тем, что магнитопровод трансформатора выполнен замкнутым, первый участок магнитопровода выполнен с сечением, обеспечивающим
его насыщение на холостом ходу, и на нем расположена вторичная обмотка, второй участок выполнен с сечением, обеспечивающим ненасыщение на
всех режимах работы, и на нем - первичная обмотка, дроссель имеет магнитопровод и основную обмотку на его первом участке, включенную
последовательно согласно с первичной обмоткой трансформатора и охватывающую второй участок магнитропровода трансформатора, первичная
обмотка которого охватывает первый участок магнитопровода дросселя.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дроссель снабжен секционированной обмоткой, расположенной на втором участке его магнитопровода с
возможностью последовательного подключения секций согласно с основной обмоткой дросселя.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что замкнутый магнитопровод трансформатора между первым и вторым участками выполнен с переменным
сечением.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитопровод дросселя на первом участке выполнен с сечением, обеспечивающим на рабочем ходу
ненасыщенный режим работы, а на остальном участке выполнен с переменным сечением, обеспечивающим на рабочем ходу границу между
насыщенной и ненасыщенной частями.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что участки магнитопроводов трансформатора и дросселя, охваченные первичной и основной обмотками
соответственно трансформатора и дросселя сближены с образованием единого стержня.
6. Устройство для электродуговой сварки, содержащее трансформатор с магнитопроводом, первичной и вторичной обмотками и дроссель с первичной
и дополнительной обмотками, первичные обмотки трансформатора и дросселя подключены последовательно к сети переменного напряжения,
вторичная обмотка трансформатора предназначена для электрической связи с электродным и заземляемым выходами, отличающееся тем, что
первичные обмотки трансформатора и дросселя образуют общую обмотку, которая расположена на первом участке магнитопровода, на втором участке
которого, выполненном с сечением, обеспечивающим его насыщение на холостом ходу, расположена вторичная обмотка, а на третьем участке
расположена дополнительная обмотка дросселя с возможностью последовательного ее подключения согласно с общей обмоткой.
7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что дополнительная обмотка дросселя выполнена секционированной.
8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что магнитопровод выполнен замкнутым с переменным сечением между первым и вторым участками.
9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что магнитопровод на третьем участке и между первым и третьим участками выполнен с переменным
сечением.
10. Устройство для электродуговой сварки, содержащее трансформатор с первичной и вторичной обмотками и магнитопроводом, на первом участке
которого расположена вторичная обмотка, дроссель, формирователь импульсов возбуждения, соединенный выходом с электродным выходом, и три
конденсатора, отличающееся тем, что магнитопровод трансформатора выполнен замкнутым с сечением на первом участке, обеспечивающим его
насыщение на холостом ходу, дроссель имеет магнитопровод с воздушным зазором, второй участок магнитопровода трансформатора и первый участок
магнитопровода дросселя выполнены с сечением, обеспечивающим ненасыщенный режим их работы, и охвачены общей обмоткой, устройство
снабжено первым и вторым магнитными ключами, индукционным фильтром и витком индуктивности смещения, причем первый магнитный ключ и
формирователь импульсов возбуждения имеют заземляемые выводы, подключаемые к заземляемому выходу обслуживаемого сварочного
трансформатора, вторичная обмотка трансформатора выполнена с возможностью подключения первого вывода к заземляемому выходу
обслуживаемого сварочного трансформатора, а вторым выводом через первый конденсатор подключена к входному выводу первого магнитного ключа,
выходной вывод которого через второй конденсатор соединен со входом формирователя импульсов возбуждения, подключенного через третий
конденсатор к заземляемому выходу и через второй магнитный ключ соединенного с выходом обслуживаемого сварочного трансформатора, который
через последовательно соединенные виток индуктивности смещения и индуктивный фильтр подключен к электродному выходу, при этом магнитные
ключи включены последовательно с общей обмоткой для подключения к выходам обслуживаемого сварочного трансформатора.
11. Способ изготовления магнитопровода устройства для электродуговой сварки, заключающийся в навивке его из стальной ленты на оправку,
отличающийся тем, что магнитопровод выполняют переменного сечения по длине, для чего предварительно изготовленные мерные отрезки стальных
листов при навивке периодически накладывают в места увеличения сечения магнитпровода между соседними витками навиваемой ленты.
РИСУНКИ
http: //www. fip s. ru/cdfi/fip s. dll?
03.11.2008 15:06:00
a
Фиг. 3
Фиг. 5
Фиг. 5
Фиг. 6
Фиг. 7 б
Фиг.9
и ос) досадная
Фиг. 12
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
(19) SU (11) 1839648 АЗ
(51)5 В 23 К 9/00__________
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (РОСПАТЕНТ СССР)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН
К ПАТЕНТУ
(21)4865623/08
(22)21.09.90
(46)301293 Бюл Ns 48-47
(76) Буденный Анатолий Павлович
(54) СВАРОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
(57) Использование: питание сварочной дуги пере-
2
менного тока Сущность изобретения: устройство
содержит силовой трансформатор, дроссель и воз-
будитель импульсов зажигания и стабилизации ду-
ги Дроссель включен в первичную цепь силового
трансформатора, магнитопровод которого выполнен
насыпающимся 5зп ф-лы, 9 ил.
(19) SU (И) 1839648 АЗ
3
1839648
4
Изобретение относится к электротехни-
ке, а именно к устройствам для питания сва-
рочной дуги переменного тока, и может
быть использовано в любой области техни-
ки в качестве источника питания с падающи-
ми внешними характеристиками.
Известен сварочный трансформатор,
содержащий силовой трансформатор, пер-
вичная обмотка которого через ключи под-
ключена к выводам питающей сети
переменного тока, а вторичная обмотка - к
выходным выводам [1].
Недостатком этого устройства является
значительные габариты, обусловленные
требуемым режимом работы.
Наиболее близким к предлагаемому яв-
ляется сварочный трансформатор, содержа-
щий силовой трансформатор, первичная
обмотка которого первым выводом подклюй
чена к первому выводу питающей сети пере-
менного тока, а выводы вторичной обмотки
являются выходными выводами [2].
Недостатком этого трансформатора
также является большие габариты, так как
силовой трансформатор работает в ненасы-
щенном режиме, а требование значительно-
го напряжения во вторичной цепи для
загорания дуги противоречит условиям без-
опасности сварщика и не позволяет умень-
шить габариты трансформатора.
Целью изобретения является уменьше-
ние габаритов и обеспечение безопасности.
Поставленная цель достигается тем, что
в сварочный трансформатор, содержащий
силовой трансформатор, первичная обмот-
ка которого первым выводом подключена к.
первому выводу питающей сети переменно-
го тока, а выводы вторичной обмотки явля-
ются выходными выводами, введен
дроссель, магнитопровод силового транс-
форматора выполнен насыщающимся, при-
чем Рбмотка дросселя включена между
вторым выводом первичной обмотки сило-
вого трансформатора и вторым выводом пи-
тающей сети переменного тока. Кроме того,
первичная обмотка силового трансформато-
ра выполнена секционированной, обмотка
дросселя выполнена секционированной.
Для уменьшения габаритов дросселя сило-
вой трансформатор выполнен с развитым
магнитным рассеянием первичной обмотки.
Для уменьшения габаритов введены возбу-
дитель импульсов зажигания и стабилиза-
ции дуги и дополнительная обмотка
дросселя, причем входные выводы возбуди-
теля импульсов зажигания и стабилизации
дуги подключены к выводам дополнитель-
ной обмотки дросселя, а выходные выводы
подключены к выходным выводам сварочно-
го трансформатора. При этом возбудитель
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
импульсов зажигания и стабилизации дуги
выполнен в виде накопительного конденса-
тора, подключенного к входным выводам
возбудителя импульсов, параллельно кото-
рому подключена последовательная цепь из
коммутирующего конденсатора, насыщаю-
щегося дросселя и первичной обмотки им-
пульсного трансфоматора. вторичная
обмотка которого ,через разделительный
конденсатор подключена к выходным выво-
дам возбудителя импульсов.
Сущность изобретения заключается в
том, что применение насыщающегося маг-
нитопровода силового трансформатора по-
зволило значительно уменьшить габариты
силового трансформатора за счет использо-
вания магнитопровода меньшего сечения, а
введение дросселя позволило обеспечить
соответствующий режим работы устройства
за счет ограничения тока короткого замыка-
ния при насыщении сердечника.
На фиг.1 дана принципиальная электри-
ческая схема предлагаемого устройства с
характеристикой магнитопровода; на фиг.2
- эквивалентная схема предлагаемого уст-
ройства с использованием возбудителя им-
пульсов: на фиг.З - эквивалентная схема
возбудителя импульсов; на фиг.4-6 -- прак-
тические схемы предлагаемого устройства
для различных областей использования; на
фиг.7 - временные диаграммы работы уст-
ройства; на фиг.8 - график зависимости
1/> — F (£); на фиг.9 - временные диаграммы
работы возбудителя импульсов.
Сварочный трансформатор (фиг.1) со-
держит силовой трансформатор 1 с первич-
ной 2 и вторичной 3 обмотками и
насыщающимся магнитопроводом 4 и об-
мотку 5 дросселя. Первый вывод 6 первич-
ной обмотки 2 соединен с первым выводом
7 питающей сети переменного тока, второй
выаод 8 которой через обмотку 5 дросселя
подключен к второму выводу 9 первичной
обмотки 2 силового трансформатора 1. вы-
воды 10 и 11 вторичной обмотки 3 которого
являются выходными выводами для под-
ключения к сварочной дуге 12. Магнитопро-
вод 4 силового трансформатора 1 имеет
насыщающуюся характеристику 13 с отри-
цательной 14 и положительной 15 ветвями.
Сварочный трансформатор может содер-
жать возбудитель импульсов 16 зажигания
и стабилизации дуги, который выполнен на
накопительном 17 и коммутирующем 18
конденсаторах, насыщающемся дросселе
19, импульсном трансформаторе 20 с пер-
вичной 21 и вторичной 22 обмотками, разде-
лительном конденсаторе 23. Возбудитель
импульсов 16 содержит входные выводы 24
и 25 и выходные выводы 26 и 27. Эквивален-
5
1839648
6
тная схема силового трансформатора 1 (фиг.2)
содержит, кроме первичной 2, вторичной 3
обмоток и магнитопровода 4. индуктивности
28 и 29 взаимосвязи вне магнитопровода 4 и
индуктивности 30 и 31 рассеяния.
Эквивалентная схема (фиг.З) возбудителя
импульсов 16. кроме того, содержит генера-
тор 32 сказка и эквивалентную индуктивность
33.
Сварочный трансформатор для работ в
особо опасных условиях (фиг.4) дополни-
тельно включает три коммутатора 34-36.
выключатель-предохранитель 37, а обмотка
5 дросселя и обмотки 2 и 3 силового транс-
форматора выполнены секционными.
Сварочный трансформатор (фиг.5) для
работ в нормальных условиях дополнитель-
но содержит дополнительную обмотку 38
силового трансформатора 1. первичная об-
мотка 2 которого выполнена с развитым
магнитным рассеянием.
Сварочный трансформатор универсаль-
ного типа (фиг.6) содержит дополнительную
обмотку 39 дросселя.
Выходные выводы 24 и 25 возбудителя
импульсов 16 зажигания и стабилизации ду-
ги подключены к выводам дополнительной
обмотки 39 дросселя, а выходные выводы 26
и 27 подключены к выходным выводам 10 и
11 сварочного трансформатора. Накопи-
тельный конденсатор 17 подключен к вход-
ным выводам 24 и 25 возбудителя
импульсов 16, а последовательная цепь из
коммутирующего конденсатора 18, насыща-
ющегося дросселя 19 и первичной обмотки
21 импульсного трансформатора 20 включе-
на параллельно накопительному конденса-
тору 17.
Вторичная обмотка 22 через раздели-
тельный конденсатор 23 подключена к вы-
ходным выводам 26 и 27 возбудителя
импульсов 16.
Трансформатор работает следующим
образом.
При подключении устройства к выводам
7 и 8 питающей сети переменного тока при
холостом ходе на- выходе магнитопровод 4
силового трансформатора насыщается каж-
дый полупериод.
Виртуальное напряжение 40 (напряже-
ние сети, трансфомированное "идеальным
трансформатором-" с коэффициентом транс-
формации, равным коэффициенту транс-
формации силового трансформатора: когда
силовой трансформатор работает в ненасы-
щенном режиме, напряжение на его вторич-
ной обмотке почти равно виртуальному) и
напряжение 41 на вторичной обмотке 3 си-
лового трансформатора 1 представлены на
фиг.7,а. При t=0 рабочая точка отрицатель-
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
ной характеристики 13 соответствует насы-
щенному состоянию силового трансформа-
тора и далее движется вправо (фиг,1),
создавая положительный фронт 42. Затем
рабочая точка проходит через "0", что соот-
ветствует выходному напряжению 41
(фиг.7,а), проходит положительную ветвь 15,
что соответствует отрицательному фронту
43.
Следующий полупериод устройство ра-
ботает аналогично описанному.
При насыщении магнитопровода 4
(фронт 43) все напряжение приложение к
обмотке 5 дросселя и его ток 44 (фиг.7, 8)
возрастает. Таким образом, в отличие от
прототипа даже на холостом ходу в первич-
ной обмотке 2 силового трансформатора 1
течет значительный ток (влияние этого будет
описано далее). При подключении свароч-
ной дуги 12 насыщение магнитопроводл 4
силового трансформатора 1 прекращается.
Виртуальное напряжение 40 остается
прежним, а форма напряжения 45 на дуге
(фиг.7,в) и форма тока 46 в первичной обмот-
ке (фиг.7,г) как в прототипе.
При условии непрерывности дуги фазо-
вый сдвиг pptfi может меняться от мини-
мально возможного 32 до 74°. Этот угол
никак не связан с углом насыщения силово-
го трансформатора рх.х (фиг.7,а) на холо-
стом ходу. ’ .
Отношение W , где 1х.х - ток холо-
«кз
стого хода; 1к.э - ток в первичной обмотке
при коротком замыкании на выходе, опре-
деляется формулой
« (| — /З'агссоГЗГ,
кз п
где £= cos которое назовем "заполнен-
ность".
Г рафик зависимости V» = F (£) показан
на фиг.8.
Заполненность £ означает отношение
средневыпрямленного напряжения на пер-
вичной обмотке 2 силового трансформатора
1 к средневы прямлен ному напряжению се-
ти. Из графика (фиг.8) видно, что £ = 1 1х.х=0
(без учета тока намагничивания I и транс-
форматора). что очевидно, так как трансфор-
матор не насыщается. При £ = 0,61х х= О.Зк.з.
Потери от этого тока в сопротивлении пер-
вичной обмотки составляют » 10% от по-
терь при работе сварочной дуги, что может
быть приемлемо.
Из графиков видно. *что напряжение
скачка при этом составляет >0,5 амплитуд
напряжения.
7
1839648
8
Фронты зависят от резкости характери-
стики В-F(H). 8 экспериментах эти фронты
были 0,3- 0,5т'с при f=50 Гц. Вероятно, эти
фронты могут быть укорочены соответству-
ющим выбором материала.
Возбудитель импульсов 16 зажигания и
стабилизации дуги (фиг.З) работает от скач-
ка напряжения генератора 32 (фиг.З). Экви-
валентная индуктивность 33 зависит от
конкретной схемы включения возбудителя
импульсов 16.
Фронты напряжения генератора 32
скачка могут быть равны 0,3-0,5т с, если
эти скачки напряжения вызваны насыщени-
ем сердечника магнитопровода. Если эти
скачки вызваны разрывом дуги, то фронт их
значительно короче. В первом случае имеет
место возбуждение дуги, во втором ее ста-
билизации, т.е. возбуждение дуги обратной
полярности после погасания. Временные
диаграммы (фиг.9) работы возбудителя им-
пульсов 16 представляют:
форму импульса 47 при крутом фронте;
48 при пологом -"-
49 на накопительном конденсато-
ре 17 при крутом фронте
50 -"- пологом
Когда вольт-секундная площадь насы-
щающегося дросселя 19 равна вольт-секун-
дной площади импульса 50 (фиг.9) дроссель
19 насыщается и к первичной обмотке 21
импульсного трансформатора 20 приложен
импульс напряжения 51 с крутым фронтом.
В экспериментах фронт импульса на-
пряжения 51 равен 5 мкс. амплитуда=150 В,
На обмотке 22 импульсного трансформато-
ра 20 амплитуда может достичь > 1000 В.
Через разделительный конденсатор 23 этот
импульс передается выходным выводам 10
и 11 и возбуждает дугу 12 или стабилизиру-
ет. Длительность импульса зависит от
вольт-секундной площади импульсного
трансформатора 20 и должен быть выбран
достаточным для возбуждения дуги (практи-
чески ~ 20 мкс).
Таким образо'М, использование силово-
го трансформатора 1 с насыщающимся маг-
нитопроводом 4 и введение дросселя с
обмоткой 5 позволило не только уменьшить
габариты устройства за счет лучшего ис-
пользования магнитопровода 4 силового
трансформатора 1 и повысить безопасность
работы с устройством за счет ограничения
средневыпрямленного напряжения, но и со-
здало возможность естественной синхрони-
зации от фронтов импульсов напряжения с
помощью возбудителя импульсов 16. не со-
держащего сложных электронных компо-
нентов
5
10
15
20
25
30
35
40
•'
45
50
55
*
Для работы в особо опасных условиях
необходимо иметь выходное напряжение
холостого хода в сварочном трансформато-
ре ’ S 25 В. Для этого в схеме устройства
предусмотрена возможность регулировки
выходного тока за счет коммутаций секций
обмоток силового трансформатора 1 пере-
ключателем, позволяющим менять "запол-
ненность" £.
Приуменьшении £ до 0.1 выходное на-
пряжение превращается в короткий им-
пульс с амплитудой > 250 В, что
способствует возбуждению дуги при низком
средневыпрямленном напряжении < 25 В.
Переключение выходного напряжения
возможно с помощью коммутатора 34 в не-
больших пределах (20-25 В). Возможно сни-
жение напряжения и менее напряжения
горения дуги (20 В), но при этом то< дуги
будет прерывистым.
Как видно из фиг.З, при малой заполнен-
ности £ ток lx.x возрастает и приближается
к 1к.з. Так как этот режим нежелателен, то
предусмотрена регулировка витков обмотки
5 дросселя с помощью коммутатора 36. Для
улучшения формы импульса целесообразно
использовать в насыщающемся дросселе 19
сердечник с ППГ.
Выключатель-предохранитель 37 слу-
жит для защиты сети питающего напряже-
ния. Приведенная-схема предлагаемого
устройства позволяет получить массу в 3
раза <, чем в прототипе.
Для работы в нормальных условиях мо-
жет быть использован сварочный трансфор-
матор (фиг.5).' в котором максимально
уменьшены габариты.
При этом первичная обмотка 2 силового
трансформатора 1 выполнена с развитым
магнитным рассеянием, т.е. конструктивно
увеличена индуктивность рассеяния пер-
вичной обмотки, что позволяет значительно
уменьшить габариты дросселя. Эта схема
позволяет получить устройство с массой в 6
раз <, чем в прототипе.,Дополнительная об-
мотка 38 силового трансформатора 1 служит
- для передачи скачков напряжения на возбу-
дитель импульсов 16.
Универсальная схема (фиг.6) сварочного
трансформатора позволяет использовать
преимущество упомянутых схем предлагае-
мого устройства за счет использования до-
полнительной обмотки 39 дросселя и
распределения индуктивности между дрос-
селем и первичной обмоткой силового
трансформатора 1, что в 5 раз уменьшает
массу по сравнению с прото типом.
9
1839648
10
Таким образом, предлагаемое уст-
ройство позволяет значительно умень-
шить габариты и обезопасить работу
сварщика.
(56) Авторское свидетельство СССР
№ 1501180, кл. Н 01 F 31/06, 1987.
Авторское свидетельство СССР
Ne 1563910, кл, В 23 К 9/00. 1988,
Формула изобретения
'1. СВАРОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР, 1Q
содержащий силовой трансформатор, пер-,
винная обмотка которого подключена пер-
вым выводом к первой клемме питающей
сети переменного тока, а выводы вторич-
ной обмотки подключены к выходным
клеммам, отличающийся тем, что, с целью
уменьшения габаритов и обеспечения без-
опасности, он снабжен дросселем, а маг-
нитопровод силового трансформатора
выполнен насыщающимся, причем обмот-
ка дросселя включена между вторым выво-
дом первичной обмотки силового
трансформатора и второй клеммой питаю-
щей сети переменного тока,
2. Трансформатор по п.1, отличающий-
ся тем, что первичная обмотка силового
трансформатора выполнена секциониро-
ванной.
3. Трансформатор по п. 1, отличающий-
ся тем, что обмотка дросселя выполнена
первичной обмотки.
5. Трансформатор по п.1, отличающий-
ся тем. что он снабжен возбудителей им-
пульсов зажигания и стабилизации дуги и
дополнительной обмоткой дросселч. при-
чем вход возбудителя импульсов зажига-
ния ^стабилизации дуги подключен к вы-
15 водам дополнительной обмотки дросселя,
а выход подключен к выходным клеммам
сварочного трансформатора.
6, Трансформатор по п.5, отличающий-
20 ся тем, что возбудитель импульсов зажига-
ния и стабилизации дуги выполнен в виде
накопительного, коммутирующего и разде-
лительного конденсаторов, насыщающего-
ся дросселя и импульсного
25 трансформатора, причем входные клеммы
возбудителя импульсов подключены к вы-
водам накопительного конденсатора, па-
раллельно которому подключена
последовательная цепь из коммутирующе-
30 го конденсатора, насыщающегося дроссе-
ля и первичной обмотки импульсного
секционированной. трансформатора, ятсричная обмотка кото-
4. Трансформатор по п.1, отличающий- рого через разделительный конденсатор
ся тем, что силовой трансформатор выпол- * подключена к выходным клеммам возбуди-
мей с развитым магнитным рассеянием1 35 теля импульсов.____
7
1839648
18396-18
1839648
Фиг.7
!-39'5 18
Составитель [".Смирнов
Редактор М.Стрельникова Техред М.Моргентал Корректор ;С.Юско
Заказ 3410 Тираж Подписное
НПО "Поиск" Роспатента
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент*, г. Ужгород, ул,Гагарина, 101
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(19) RU (11)2155120 (13) С1
(51) 7 В23К9/067, Н02М7/5383, Н02М7/5387
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
(21) Заявка: 99112671/02
(22) Дата подачи заявки: 1999.06.18
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 1999.06.18
(45) Опубликовано: 2000.08.27
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2011493 С1, 30.04.1994. RU 2111378 С1, 20.05.1998. RU 2094939 С1,
27.10.1997. RU 94035139 А1, 10.08.1996.
(71) Заявитель(и): Буденный Анатолий Павлович
(72) Автор(ы): Буденный А.П.
(73) Патентообладатель(и): Буденный Анатолий Павлович
Адрес для переписки: 117296, Москва, ул. Молодежная 3, кв.204, Багяну Л.Г.
(54) СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ
ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам и способу
возбуждения электрической дуги, и может найти применение в сварочном
производстве. Для обеспечения нормального процесса возбуждения
электрической дуги и варки загрязненного и окисленного металла, стали,
алюминия в способе возбуждения электрической дуги после размыкания
закоротки выхода источника питания к нему подают форсирующее напряжение
той же полярности, но большей амплитуды. После этого на дуговой промежуток
подают с задержкой по времени импульс напряжения обратной полярности по
отношению к источнику питания электрической дуги, превышающий по номиналу
вышеуказанное форсирующее напряжение и имеющий укороченный фронт. В
устройство для возбуждения электрической дуги введены источник внутреннего
форсирующего напряжения, блокировочный дроссель и элемент "длинная линия".
Кроме того, усовершенствованы источник импульсов напряжения возбуждения и
магнитные ключи со способом организации их управления. 5 с. и 5 з.п. ф-лы, 17
ил.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к электротехнике, а именно к способу и устройствам для
питания сварочной дуги переменного тока и вспомогательной дуги плазмотрона, и
может быть использовано в аппаратах, способных варить окисленный и ржавый
металл, сталь, нержавеющую сталь, алюминий и другие металлы, сварка которых
аппаратами переменного тока ранее считалась невозможной.
Электрическая дуга была открыта случайно Петровым, а затем Деви. Однако
сущность явлений не была понята ими правильно. Даже теперь расчеты
электрических цепей с отрицательным сопротивлением сложны, хотя и могут
считаться освоенными для инженеров высокого уровня. Дуга имеет
вольтамперную характеристику S-типа и устойчива только при питании от
источника тока с индуктивным или достаточно большим активным
сопротивлением. Подключение параллельно дуге (особенно при малых токах)
конденсатора достаточно большой емкости с неизбежностью срывает дугу. Дуга
переменного тока, открытая Яблочковым, с индуктивным ограничителем тока,
мощность на котором не рассеивается, сложна в восприятии. Момент перемены
знака тока с разрывом дуги исследован недостаточно. "Осциллятор",
изобретенный Вологдиным в тридцатые годы, остался чисто эмпирическим
изобретением, несмотря на свое широкое применение. Запуск дуги искрой с
первого импульса на холодную деталь не исследован. До настоящего времени
просто не было аппаратов, способных его осуществить. Некоторые положения,
считавшиеся общепринятыми, оказались просто ошибочными. Так, рекомендации
использовать для запуска импульсы с энергией 1 Дж и более, выглядят
удивительными, если в наших аппаратах энергия импульса измеряется
миллиджоулями. Можно понять это положение, если учесть, что отсутствовала
электронная аппаратура, позволяющая регистрировать однократные процессы в
диапазоне времени, начинающегося долями наносекунды.
Искровой разряд 1-3 мм при напряжении 5-15 кВ возникает за десятые доли
наносекунды в канале шириной единицы микрон с температурой 100000 К и выше
(характерный фиолетовый цвет). Давление 500 атм. Энергоемкость такой плазмы
превосходит в 100 раз и более тротиловый эквивалент. Ударная волна расширяет
канал со скоростью около 10 мкм в 1 нс (10000 м/с). Температура падает до 8000-
6000 К, характерных для дугового разряда (белый цвет). Теплосодержание такой
плазмы 3 мДж/мм3. Проводимость плазмы 1500 См/м. Теплопроводность воздуха
(азота) 0,0255 для Т = 273 К и 0,151 для Т - 5000 К. Теплопроводность
плазмы 4 для более высоких температур, то есть превышает
теплопроводность воздуха более чем на два порядка. Эти числовые данные
важны для понимания статики и динамики дуги.
В стационарном (статическом) состоянии тепловыделение от тока проводимости в
точности равна теплоотводу. Форма тела дуги может быть найдена совместным
решением уравнений теплопроводности и электропроводности при очевидных
граничных условиях. Обе они резко зависят от температуры, то есть уравнения
нелинейные. Как указано выше, теплопроводность плазмы более чем на два
порядка превышает теплопроводность воздуха, электропроводность плазмы
приведена выше, а воздух - вообще изолятор. Аналогичная (но более простая)
задача была решена в 1950 году под руководством А.Д. Сахарова (журнал
"Природа" N 8, 1990, статья Ю.А.Романова "Отец советской водородной бомбы").
Поэтому описание возбуждения сварочной дуги в литературе не соответствует
истине.
Известны источники питания электрической дуги с насыщающимся
трансформатором и токоограничивающим дросселем в первичной цепи (патент
СССР N 1839648, кл. В 23 К 9/00 от 21.09.90 г.). Возбуждение дуги в них
производится импульсами высокого напряжения, вырабатываемыми из фронта
напряжения при выходе магнитопровода из насыщения. Осциллограммы
показывают, что дуга возбуждается нечетко, только от третьего-четвертого
импульса из цуга импульсов, следующих через 50 мкс, происходит возбуждение.
По технической сущности наиболее близким к заявляемым изобретениям
являются способ возбуждения электрической дуги, при котором перед подачей
импульса возбуждения на дуговой промежуток закорачивают выход источника
питания электрической дуги на время нарастания тока короткого замыкания до
уровня стабильного тока дуги, и устройство для возбуждения электрической дуги,
содержащее источник импульсов возбуждения, держатель электрода, клемму
заземления, источник питания электрической дуги, параллельно шинам которого
подключены блокировочный конденсатор и ключ с пороговым элементом (см.
патент РФ N 2011493, кл. В 23 К 9/06 от 27.07.1991 г.).
В известных изобретениях предлагается коротко замыкать источник питания с
эквивалентным индуктивным выходным сопротивлением и выдерживать его
замкнутым до нарастания тока в индуктивности до уровня, достаточного для
поддержания тока дуги, затем размыкать и подавать импульс возбуждения.
Практика показывает, что такие возбудители обеспечивают возбуждение
сварочной дуги с первого импульса дистанционно на расстоянии 0,5-1 мм от
детали.
Осциллографические наблюдения показывают, что в первые наносекунды после
прохождения искры напряжение на дуговом промежутке снижается с 7-5 кВ (это и
есть напряжение искры) до напряжения порядка 500-300 В, а затем за десятые
доли микросекунды снижается до 150-70 В. Далее оно должно снизиться до
напряжения 20 В, характерного для дуги, за время в единицы микросекунд.
Однако оно сохраняется (150-70 В) на время в десятые доли миллисекунды. Если
напряжение источника питания в момент возбуждения составляет 35-50 В, то
напряжение на дуге уменьшает ток индуктивного источника, и возбуждение может
не состояться. Причины такого поведения напряжения на дуге неизвестны. Было
замечено, что это имеет место в случае загрязненной и окисленной детали. Хотя
искра и возникает на расстоянии 2-3 мм от детали, дуга не загорается вплоть до
касания, так как основное падение напряжения происходит в узком пробитом
канале окисла с энергоемкостью порядка 10 Дж/мм3.
Техническим результатом является разработка способа и устройства, способных
обеспечить нормальный процесс возбуждения дуги и варки загрязненного и
окисленного металла, стали, алюминия и т.п.
Для этого в способе возбуждения электрической дуги, при котором перед подачей
на дуговой промежуток импульса напряжения возбуждения закорачивают выход
источника питания электрической дуги на время нарастания тока короткого
замыкания до уровня стабильного тока дуги, согласно изобретению после
достижения тока короткого замыкания уровня стабильного тока дуги к выходу
источника питания электрической дуги подают форсирующее напряжение той же
полярности, превышающее напряжение источника питания, после чего на дуговой
промежуток подают с задержкой по времени импульс напряжения возбуждения
обратной полярности по отношению к источнику питания электрической дуги,
превышающий по номиналу форсирующее напряжение и имеющий укороченную
длительность фронта, при этом время задержки импульса напряжения
возбуждения выбирают в диапазоне от 3 до 300 нс, а отношение времени
задержки импульса напряжения возбуждения к длительности его фронта
составляет 1-30, кроме того, форсирующее напряжение формируют путем
трансформации энергии источника питания из закорачивающей его цепи, а
импульс напряжения возбуждения формируют путем трансформации энергии
источника питания из закорачивающей его цепи.
Технический результат достигается также тем, что в устройство для возбуждения
электрической дуги, содержащее источник импульсов напряжения возбуждения,
первую и вторую клеммы дугового промежутка, источник питания электрической
дуги, параллельно которому подключены блокировочный конденсатор и ключ с
пороговым элементом, согласно изобретению введены источник внутреннего
форсирующего напряжения, блокировочный дроссель и элемент "длинная линия",
при этом источник внутреннего форсирующего напряжения соединен согласно с
источником питания электрической дуги, источник импульсов напряжения
возбуждения соединен с источником питания электрической дуги встречно одним
своим выводом - через блокировочный дроссель и другим - непосредственно, а
через элемент "длинная линия" выводы источника импульсов напряжения
возбуждения подключены к первой и второй клеммам дугового промежутка, при
этом источник внутреннего форсирующего напряжения может быть выполнен в
виде последовательно соединенных ключевого элемента, элементов
сопротивления и индуктивности и емкостного источника напряжения.
Кроме того, в ключ для устройства возбуждения электрической дуги, содержащий
конденсатор, насыщающийся магнитопровод с рабочей обмоткой, один вывод
которой соединен с входом магнитного ключа, а другой вывод - через конденсатор
с выходом, согласно изобретению введена обмотка смещения для
последовательного соединения с первичной обмоткой силового трансформатора
с насыщающимся магнитопроводом источника питания электрической дуги.
Кроме того, в ключ для устройства возбуждения электрической дуги, содержащий
конденсатор, разрядник, насыщающийся магнитопровод трансформатора с
рабочей и высоковольтной обмотками, к последней из которых подключен
конденсатор и разрядник, согласно изобретению введена обмотка смещения для
последовательного соединения с первичной обмоткой силового трансформатора
с насыщающимся магнитопроводом источника питания электрической дуги.
Кроме того, в способе подготовки к срабатыванию ключа устройства возбуждения
электрической дуги, выполненного в виде каскадной цепочки из п магнитных
ключей, включающем установку магнитопровода i-ro ключа в исходное состояние
намагничивания, согласно изобретению для срабатывания i-ro магнитного ключа
подают ток смещения от (i-2)-ro магнитного ключа и ток помехозащиты от (i-3)-ro
магнитного ключа.
Сущность изобретения заключается в том, что за счет введения вышеописанных
элементов и связей между ними создаются условия для возбуждения дуги, а
именно: за время прохождения отрицательного импульса по "длинной линии" и
дуговому промежутку в блокировочном дросселе накапливается ток с
полярностью, совпадающей с полярностью будущего тока дуги, а источник
внутреннего форсирующего напряжения обеспечивает значительный ток дуги,
необходимый для удаления ("испарения") загрязненных или окисленных
поверхностей.
Сущность изобретения для способа подготовки магнитного ключа к срабатыванию
заключается в том, что на обмотку помехозащиты i-ro магнитного ключа подают
импульс тока ранее поступления помехи от (i-3)-ro магнитного ключа и
заканчивают одновременно с окончанием этой помехи.
Сравнение предлагаемых изобретений с ближайшим аналогом позволяет
утверждать о соответствии критерию "новизна", а отсутствие в известных
аналогах отличительных признаков говорит о соответствии критерию
"изобретательский уровень".
Предварительные испытания позволяют судить о возможности широкого
промышленного использования.
На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства;
на фиг. 2 - эквивалентная схема в момент окончания прохождения искры;
на фиг. 3 - форма тела дуги в момент окончания искры;
на фиг. 4 - временные диаграммы для токов и напряжений дуги;
на фиг. 5 - принципиальная электрическая схема первого варианта предлагаемого
устройства;
на фиг. 6 - устройство для возбуждения вспомогательной дуги плазмотрона;
на фиг. 7 - осциллограммы работы варианта устройства, представленного на фиг.
5, и временные диаграммы стабилизации;
на фиг. 8, 9 и 10 - принципиальные электрические схемы второго, третьего и
четвертого вариантов предлагаемого устройства;
на фиг. 11 - варианты исполнения магнитных ключей;
на фиг. 12 - пятый вариант предлагаемого устройства;
на фиг. 13 - принципиальная электрическая схема электронного ключа;
на фиг. 14, 15 и 16 - шестой, седьмой и восьмой варианты предлагаемого
устройства;
на фиг 17 - принципиальная электрическая схема приставки для уменьшения
сварочного тока (балластного индуктора).
Устройство (фиг. 1) содержит источник 1 импульсов напряжения возбуждения,
первую и вторую клеммы 2 и 3 дугового промежутка, источник 4 питания
электрической дуги, параллельно шинам 5, 6 которого подключены
блокировочный конденсатор 7 и ключ 8 с пороговым элементом. Кроме того,
устройство содержит источник 9 внутреннего форсирующего напряжения,
блокировочный дроссель 10 и элемент 11 "длинная линия".
Выводы источника 9 внутреннего форсирующего напряжения подключены
согласно к шинам 5 и 6 источника 4 питания электрической дуги, первый вывод
источника 1 импульсов напряжения возбуждения соединен через блокировочный
дроссель 10 встречно с первой шиной 5 источника 4 питания электрической дуги,
второй вывод - со второй шиной 6 источника 4 питания электрической дуги
непосредственно, а первый и второй выводы источника 1 импульсов напряжения
возбуждения подключены через элемент 11 "длинная линия" к держателю
электрода - первой клемме 2 и второй клемме 3 (земляной) соответственно.
Элемент 11 "длинная линия" характеризуется волновым сопротивлением 150-300
Ом и задержкой 4 нс на 1 м длины. Элемент 11 выполнен в виде сварочных
кабелей.
Ключ 8 с пороговым элементом для устройства возбуждения электрической дуги
может быть выполнен электронным (фиг. 13) или магнитным (фиг. 5) и содержать
ключевой элемент 12 и элементы 13, 14, 15 индуктивности, сопротивления и
емкости соответственно.
Источник 9 внутреннего форсирующего напряжения может содержать ключевой
элемент 16 (или коммутироваться другими ключами), элементы 17 и 18
сопротивления и индуктивности соответственно и емкостной источник 19
напряжения.
Источник 1 импульсов напряжения возбуждения может содержать ключевой
элемент 20 (или коммутироваться другими ключами), элемент 21 индуктивности и
емкостный источник 22 напряжения обратной полярности.
Тело 23 дуги (фиг. 3) с промежутком в единицы микрон касается по кругу
холодного электрода (клемма 2), где идет теплоотвод и падение напряжения 6-10
В, в средней части тело 23 дуги расширено и падение напряжения минимально.
Все падение напряжения идет в узкой области окисла 24, испарившегося от
искрового разряда по каналу разряда.
Принципиальная электрическая схема первого варианта предлагаемого
устройства (фиг. 5) содержит источник 4 питания электрической дуги, включающий
шины 25, 26 сети переменного напряжения, выключатель 27, трансформатор с
насыщающим магнитопроводом 28, первичной обмоткой 29, вторичной обмоткой
30, обмоткой 31 возбуждения с активным сопротивлением 32.
Ключ 8 выполнен магнитным на насыщающемся магнитопроводе с рабочей
обмоткой 33, резистором 34 и с обмоткой 35 смещения. Кроме того, ключ 8
содержит конденсатор 15, трансформатор 36 с обмотками 37 и 38, рабочей и
смещения соответственно.
Функцию порогового элемента ключа 8 выполняет вольт-секундная площадь,
реагирующая на интеграл напряжения.
Вспомогательная обмотка 39 трансформатора 36 с емкостным источником 19 и
элементом 17 сопротивления образуют источник 9 внутреннего форсирующего
напряжения.
Источник 1 импульсов напряжения возбуждения может содержать
высоковольтную обмотку 40 трансформатора 36, емкостный источник 22
напряжения обратной полярности по отношению к напряжению на шинах 5, 6,
ключевой элемент 20 в виде разрядника и элемент 21 индуктивности, роль
которого играет индуктивность монтажного провода.
Возможен вариант выполнения блокировочного дросселя 10 в виде вторичной
обмотки 41 трансформатора, имеющего первичную обмотку 42.
Устройство для возбуждения вспомогательной дуги плазмотрона (фиг. 6)
содержит источник 4 питания электрической дуги (вспомогательной дуги)
плазмотрона, включающий шины 25, 26 сети переменного напряжения,
трансформатор с насыщающимся магнитопроводом 28, первичной обмоткой 29 и
вторичной обмоткой 30 и силовой обмоткой 43 питания основной дуги
плазмотрона, а также дроссель 44.
Кроме того, устройство содержит источник 1 импульсов напряжения возбуждения,
ключ 8 с пороговым элементом, источник 9 внутреннего формирующего
напряжения, блокировочный конденсатор 7, блокировочный дроссель 10, элемент
11 "длинной линии", первую, вторую клеммы 2 и 3 электрической дуги
(вспомогательной дуги плазмотрона) и клемму 45 заземления основной дуги.
Другой вариант предлагаемого устройства, изображенный на фиг. 8,
дополнительно содержит укорачивающий длительность импульса магнитный
ключ, включающий насыщающийся магнитопровод 46 с обмотками 47 и 48
соответственно смещения и рабочей, и конденсатор 49.
В варианте предлагаемого устройства, изображенном на фиг. 9, ключевой
элемент 12 должен быть выполнен не магнитным, преимущественно
транзисторным, способным держать напряжение обеих полярностей и прерывать
постоянный ток. В этом случае возможно использование индуктивного накопителя
50, подключенного через последовательную цепь из резистора 51 и конденсатора
49 к выводу обмотки 37.
В варианте предлагаемого устройства, изображенного на фиг. 10, использованы
магнитный ключ с магнитопроводом 52, рабочей обмоткой 53, обмоткой 54
смещения и конденсатором 55, магнитный ключ с магнитопроводом 56, рабочей
обмоткой 57, повышающей обмоткой 58, обмоткой 59 смещения и конденсатором
60, магнитный ключ с магнитопроводом 61, рабочей обмоткой 62, повышающей
обмоткой 63, обмоткой 64 смещения и конденсатором 65, и магнитный ключ с
магнитопроводом 66, рабочей обмоткой 67, повышающей обмоткой 68, обмоткой
69 смещения и конденсатором 22.
Кроме того, использован зарядный магнитный ключ с рабочей обмоткой 70 и
обмоткой 71 смещения, а также контур смещения с резистором 34, дросселем 72
фильтра и обмотками 73-77 смещения с принадлежностью их к соответствующим
вышеупомянутым магнитным ключам.
В нижней части фиг. 10 представлен вариант контура смещения без включения
его в схему, где элемент 78 представляет не резистор 34, а сопротивление
замкнутого проводника, проходящего через дроссель 72 фильтра, упомянутые
обмотки 73-77 смещения и виток 79 на магнитопроводе 46.
На фиг. 11 представлены различные варианты соединения магнитных ключей и
диаграммы их работы, поясняющие их работу.
На фиг. 12 изображен вариант включения предлагаемого устройства.
Электронный ключ (фиг. 13) содержит выпрямительный мост на диодах 80-83,
входная диагональ которого подключена к шинам 5, 6 источника питания, к
которым подключен варистор 84. В выходную диагональ вышеупомянутого моста
включена последовательная цепь из К-Э перехода транзистора 85, резистор 86,
эмиттерная обмотка 87 базового трансформатора 88 и эмиттерная обмотка 89
ускоряющего трансформатора 90.
К эмиттер-базовой цепи транзистора 85 подключены базовая обмотка 91 базового
трансформатора 88, резистор 92 и последовательная цепь из диодов 93, 94 и
базовой обмотки 95 ускоряющего трансформатора 90. К базе транзистора 85
подключен обратный диод 96, а также пороговый элемент на тиристоре 97,
конденсаторе 98 и цепи резисторов 99-102. Кроме того, в схеме использован
защитный конденсатор 103.
Представленный на фиг. 14 вариант предлагаемого устройства требует
использования электронного ключа.
Представленный на фиг. 15 вариант предлагаемого устройства также требует
использования электронного ключа с индуктивным накопителем 104,
отделенными от трансформатора с магнитным сердечником 36 последовательной
цепью на резисторе 105 и конденсаторе 106.
Представленный на фиг. 16 вариант предлагаемого устройства требует
использования электронного ключа, индуктивного накопителя 104, укорачивающих
магнитных ключей, что позволяет избежать использования разрядника.
На фиг. 17 показан вариант предлагаемого устройства с использованием
приставки для сварки малым током.
Приставка содержит дроссель 107 с обмоткой 108, параллельно которой
включены защитный конденсатор 109 и последовательная цепь из резистора 110
и конденсатора 111, и клеммы 112-115.
Для правильного понимания сущности предлагаемого способа приведем наше
понимание процесса возбуждения дуги. Прохождение искры создает канал
шириной в единицы микрон, устойчивый в продольном направлении.
Поступающий в канал ток равномерно ионизирует его и расширяет, причем
проводимость равна 1500 См/м, а энергоемкость 3 мДж/мм3. Затем поведение
канала определяется теплопроводом к "холодным" электроду и детали (так как
1500 К "холодны" к 8000 К). Канал разбухает в середине, падение напряжения и
тепловыделение уменьшается, пока теплоотвод в точности не сравняется с
тепловыделением. В литературе это трактуется как "контракция" (сжатие) дуги у
электродов. Расчеты показывают, что у электрода образуется пятно с диаметром,
пропорциональным току - (плоская часть плазмы на фиг. 3 вверху). Падение
напряжения на пятне составляет 8-10 В в диапазоне токов, и это падение на
плазме, а не на контакте. Ориентировочно диаметр пятна составляет 0,1-0,2 мм
для тока 1 А. Обратим внимание, что весь объем плазмы на фиг. 3 менее 1 мм, то
есть там всего 5 мДж энергии. Куб 1x1x1 мм при = 1500 См/м имеет проводимость
1,5 См, или падение 5 В имеет место при токе 7,5 А в остальные 2 х 8 В вблизи
контактов.
Реальные же падения оказываются гораздо больше на загрязненных и
окисленных деталях. Предположительно это вызвано огромной теплоемкостью
испарения окисла, равной 10 Дж/мм3, то есть в 3000 раз больше теплоемкости
плазмы. Тогда показанное на фиг. 3 отверстие в окисле, пробитое искровым
разрядом, 0,1 х 0,1 х 0,1 мм имеет проводимость 0,15 См, то есть 50 В при токе
7,5 А и 200 В при токе 30 А, то есть именно оно определяет падение напряжения
на дуге.
Возбуждение дуги по предлагаемому способу (см. фиг. 1) начинается с замыкания
8 ключа и выдержки его в течение времени, когда ток в индуктивности источника 4
питания нарастает до расчетного тока удержания дуги. Таким образом производят
закорачивание выхода источника 4 питания электрической дуги на время
нарастания тока короткого замыкания до уровня стабильного тока дуги.
Затем после размыкания закоротки выхода (клеммы 5, 6) источника 4 питания
электрической дуги к нему подают форсирующее напряжение той же полярности,
но превышающее его значение.
После этого на дуговой промежуток (к держателю 2 электрода и земляной клемме
3) подают с задержкой по времени импульс напряжения возбуждения обратной
полярности по отношению к источнику 4 питания электрической дуги,
превышающей по номиналу вышеуказанное форсирующее напряжение и
имеющей укороченную длительность фронта.
Время задержки вышеуказанного импульса напряжения возбуждения должно быть
в диапазоне от 3 до 300 нс, что определено экспериментально.
Причем отношение времени задержки вышеуказанного импульса возбуждения к
длительности его фронта должно быть в диапазоне 1-30.
При этом форсирующее напряжение формируют путем трансформации энергии
источника 4 питания из закорачивающей его цепи. Импульс напряжения
возбуждения также формируют путем трансформации энергии источника 4
питания из цепи его закоротки.
Работа устройства, представленного на фиг. 1 происходит следующим образом.
Источник 4 питания в момент возбуждения дуги представляет собой источник ЭДС
"е" с эквивалентной выходной индуктивностью (например, вторичная обмотка
сварочного трансформатора), а его выходные клеммы 5 и 6 должны быть
шунтированы блокировочным конденсатором 7, предохраняющим изоляцию
трансформатора от действия высоковольтного запускающего импульса.
При достижении мгновенного значения напряжения источника 4 питания
порогового уровня ключ 8 замыкается, в индуктивности источника 4 питания
начинается нарастание тока. К моменту, когда ток достигает уровня, достаточного
для поддержания дуги, замыкается ключ 16 источника 9 с источником 19
напряжения той же полярности, что и у источника 4, а возбуждающий импульс
имеет напряжение источника 22 обратной полярности к напряжению источника 4,
причем импульсный дроссель 10 принципиально не насыщается.
Импульс возбуждения обратной полярности (пусть для определенности
отрицательной) поступает на выход устройства, и по элементу 11 "длинная линия"
распространяется к держателю электрода - клемме 2. Отрицательное
напряжение, например 7,5 кВ, приложено к правому концу индуктивности
блокировочного дросселя 10, пусть его индуктивность равна 5 мкГн. Тогда в нем
нарастает ток слева направо по 1,5 А каждую наносекунду. Достигнув конца
элемента 11 "длинная линия", импульс отражается, удваивается по напряжению.
Пусть при этом дуговой промежуток пробивается искровым разрядом. Ток искры
при этом отрицательный. Замыкание искровым разрядом отражается и
возвращается к началу элемента 11 "длинная линия", и после нескольких
затухающих циркуляций в цепи дросселя 10, элемента 11 и дугового промежутка
устанавливается ток, совпадающий с будущим током дуги. Можно видеть, что ток
составляет 20-30 А. Образуется тело дуги, показанное на фиг. 3. Далее процесс
может быть проиллюстрирован эквивалентной схемой на фиг. 2. На ней показаны
напряжения и направления токов. Эта схема описывается системой
дифференциальных уравнений
!д — I - !ком !пом
inOM — (UnOM - Uy3)/Rпом
ид = ид/2 + ifl/Y
z
Я
= <e-u >/L
уз
< ?i = <u -u >/L
кош уз кот кош
< ?i = <u -i *R - u >/L
д пот пот пот д ди
< ?u = i /С
кош кот кош
< ?u = -i /С
пом пот nom
где ид - установившееся напряжение на дуге при "средних" токах, например 11д =
20 В;
а - коэффициент при толщине окисла 0,1 мм, его энергоемкости 10 Дж/мм3 и
проводимости плазмы 1500 См/м, а = 15;
Y - проводимость плазмы в канале в окисле, См;
Обозначения элементов, токов и напряжений приведены на фиг. 2. Для примера
примем L = 600*10’6 Гн, 1_ком = 70*10'6 Гн, 1_ди = 5*10'6 Гн, Ском = 140*10'6Ф, СПОм =
2,0*10’6 Ф, Ппом = 10 Ом, е = 50 В.
Начальные условия ifl (0)= 30 A, Y (0)= 0,10 См, i(0)= 7 A, iK0M (0)=7 А, иком (0)=60 В,
Опом (0) — 120 В.
На фиг. 4 приведено решение уравнений при указанных параметрах. Можно
видеть, что вначале напряжения дуги составляет 300 В, и ток поддерживается
током индуктивности 1_ди. Он совпадает по направлению с будущим током дуги
именно потому, что полярность импульса возбуждения обратная к напряжению
источника питания. Если бы было наоборот, то ток дуги должен был бы пройти
через нуль, что замедлило бы установление нужной проводимости и могло
вызвать разрыв дуги, то есть запуск не мог состояться. Важным является то, что
1_ди выполнен ненасыщающимся при возбуждении (при работе дуги ток составляет
сотни ампер, и насыщение неизбежно), магнитопровод 41 должен быть выполнен
с воздушным зазором. Расчеты вариантов по приведенной системе уравнений
позволяют найти оптимальную величину 1_ди. Как указано выше, "накопление" тока
зависит от времени поддержания высокого напряжения, пока импульс пройдет по
линии и возвратится отраженным.
Затем ток дуги из области десятков ампер переходит в единицы и
поддерживается током помогающей цепочки. За это время происходит "перехват"
тока i, вначале целиком уходящего через индуктивность коммутирующего ключа
1_ком. Решения системы уравнений при различных параметрах элементов
эквивалентной схемы и начальных условиях показывают направление усилий для
создания устройства по предлагаемому способу.
На фиг. 5 показана принципиальная электрическая схема первого варианта
предложенного устройства, предназначенного для работы с трансформатором с
насыщающимся магнитопроводом 28. Дроссель в первичной цепи и
трансформатор с первичной обмоткой (она же обмотка дросселя) - совмещены.
Магнитопровод дросселя и трансформатора, то есть совмещенный, не
насыщается. Магнитопровод, на котором расположена вторичная обмотка
трансформатора, имеет меньшее сечение и насыщается на холостом ходу. На
магнитопроводе 28 имеются обмотки 29, 30, 31, соответственно первичная,
вторичная и возбуждения, намотанная со стороны вторичной обмотки 30. Как
было приведено в примере расчета возбуждения, емкость коммутирующего
конденсатора была 140 мкФ, что неконструктивно. При использовании обмотки
возбуждения происходит трансформация емкости, в данном случае она
уменьшается до 2-5 мкФ. Но появляется добавочная индуктивность в цепи
коммутирующего ключа из-за неполной связи обмоток 31 и 30. С целью
уменьшения этой индуктивности обмотка 31 возбуждения включается
последовательно согласно со вторичной обмоткой 30, то есть имеет место
автотрансформаторное включение.
В качестве ключевого элемента 12 (на фиг. 1) в данном устройстве используется
магнитный ключ, имеющий обмотки 35 и 33 смещения и рабочую соответственно.
В эту цепь последовательно включается первичная обмотка 37 высоковольтного
трансформатора 36, имеющего обмотку смещения 38 и вторичную обмотку 40.
Параллельно этой обмотке включен емкостный источник 22 напряжения в виде
конденсатора, а в качестве ключевого элемента 20 возбуждения использован
разрядник. Помогающий резистор элемента 17 сопротивления и помогающий
конденсатор емкостного источника 19 включены на вспомогательную обмотку 39
высоковольтного трансформатора 36.
Для работы возбудителя с магнитными ключами важным является их
синхронизация для точного включения в соответствии со способом. Эта
синхронизация достигается обмотками 35, 38 смещения, включенными
последовательно в цепь первичной обмотки 29. Из-за насыщения
трансформатора на холостом ходу в его первичной обмотке 29 проходят
значительные токи (до половины амплитуды рабочих токов), которые
устанавливают магнитный ключ и трансформатор 36 в состояние индукции
готовности к работе.
На фиг. 7 показаны экспериментальные осциллограммы работы возбудителя на
холостом ходу. Синхронизация выполнена по началу синусоидального
напряжения сети. Для ориентировки на осциллограмме нанесено виртуальное
напряжение. Ток магнитного ключа измеряется трансформатором тока,
включенным последовательно с резистором 34 (фиг. 5). За время насыщения
силового трансформатора ток смещения успокаивает колебания в цепи
магнитного ключа. Напряжение uo(t) близко к нулю, когда начинается выход
трансформатора из насыщения. Напряжение ui(t) на первичной обмотке
трансформатора к этому моменту близко к нулю. Ток магнитного ключа также
нулевой. Напряжение uo(t) приложено к рабочей обмотке 33 магнитного ключа, и
происходит движение индукции в его магнитопроводе от -Bs до +BS. При
насыщении магнитный ключ коротко замыкается согласно способу, через обмотку
возбуждения это передается на вторичную обмотку. Ток i(t) заряжает
коммутирующий конденсатор 15, отчего напряжение uo(t) растет, а через обмотку
40 заряжает конденсатор емкостного источника 22. При достижении напряжения
уровня срабатывания разрядника высоковольтный импульс подается на выход
аппарата, причем с отрицательной полярностью согласно способу. Одновременно
разряд вызывает скачок напряжения на обмотке 37, вырабатывая положительное
помогающее напряжение согласно способу. Возбуждение дуги описано ранее. На
фиг. 5 показан вариант применения импульсного трансформатора с первичной
обмоткой 42 вместо дросселя.
Возбуждение дуги происходит с холостого хода. Если же дуга горела, затем ток
переходит через нуль, и необходимо снова возобновить дугу, то имеет место
режим стабилизации, который, вообще говоря, отличается от возбуждения.
Отличие заключается в том, что при стабилизации дуги напряжение uo(t) следует
не от нулевого уровня, а от отрицательного напряжения горения дуги. Расчетные
временные диаграммы стабилизации показаны справа на фиг. 7. Можно видеть,
что напряжение uo(t) отстает от напряжения U2(t) на разряднике (или же
напряжение на разряднике его опережает), разряд происходит в момент, когда
напряжение uo(t) не достигло нужного уровня 40-60 В, и стабилизации дуги не
происходит. Устройство опять переходит в режим XX, и возбуждение будет только
в следующем полупериоде. При сварке это выражается в "просечках" - провалах
на осциллограммах тока сварочной дуги, разбрызгивании металла.
На диаграммах показан процесс стабилизации при наличии резистора 34 в
коммутирующей цепи (сопротивление приведено к цепи вторичной обмотки). При
этом скорость нарастания напряжения на разряднике замедляется, и разряд
происходит в нужный момент. Существует оптимальная величина этого
сопротивления. Кроме того, при нулевом или слишком малом сопротивлении
переходные процессы не успевают закончиться к моменту выхода
трансформатора из насыщения. На фиг. 7 справа показаны расчетные диаграммы
напряжения U2(t) при нулевом сопротивлении и при г = 3 Ом, и ток iKoM(t) ключа
(приведенный ко вторичной цепи) при г = 0 и при г = 3 Ом.
Этот вариант возбудителя вполне надежен в работе, хотя трансформатор
получается с числом витков во вторичной обмотке 40 порядка 12000-4000. С
целью уменьшения габаритов трансформатора и замедления срабатывания
разрядника вводится укорачивающий длительность импульса магнитный ключ с
обмоткой 47 смещения и рабочей обмоткой 48 и укорачивающий конденсатор 49,
представленные на фиг. 8. Направления обмоток показаны общепринятыми
знаками. Необходимо иметь в виду, что укорачивающий ключ в данном включении
изменяет полярность импульса, поэтому помогающая обмотка 37 и первичная
обмотка 40 имеют обратную полярность включения. Емкость укорачивающего
конденсатора 49 может быть выбрана так, что витки первичной обмотки 40 и
обмотки 37 равны, а так как в этом случае напряжения оказываются в одинаковой
фазе, это может быть одна обмотка, что и сделано на фиг. 8.
У этого варианта возбудителя, несмотря на введение еще одного магнитного
ключа, получаются более приемлемые конструктивные параметры. Витки
трансформатора снижаются до 3000-1500, объем стали - вчетверо. Задержка
срабатывания укорачивающего магнитного ключа облегчает стабилизацию, но
резистор 34 полезен. Обратим внимание, что в этих двух вариантах возбудителя,
после того как ток коммутирующего ключа "перехвачен" и стал нулевым,
магнитный ключ автоматически размыкается, что благоприятствует запуску. Через
некоторое время следует обратное срабатывание его, но ток его направлен в
дугу, то есть это не мешает запуску. Заметим также, что нужные смещающие токи
получаются в обмотках смещения при использовании насыщающегося
трансформатора. Магнитные ключи реагируют не на амплитуду напряжения, как
обычные пороговые устройства, а на интеграл напряжения на фронте выходящего
из насыщения сердечника трансформатора.
Энергия для импульса возбуждения в этих возбудителях получается из части
энергии коммутирующего конденсатора. Магнитный ключ в принципе не может
коммутировать постоянную составляющую напряжения, в этих схемах цепи
магнитных ключей отделены конденсаторами.
Вариант устройства по фиг. 9 использует индуктивный накопитель энергии. В этом
случае ключевой элемент 12 должен иметь способность удерживать постоянную
составляющую напряжения, то есть это должен быть электронный ключ. Такой
возбудитель способен работать как с насыщающимся трансформатором, так и с
обычным сварочным трансформатором. Поэтому все необходимые смещения
должны вырабатываться внутри схемы. Ключевой элемент 12 с пороговым
устройством срабатывает при достижении напряжения источника 4 заданного
уровня, происходит замыкание его индуктивности через индуктивный накопитель
50.
После достижения тока ключевого элемента 12 заданного уровня происходит его
размыкание (подробно это будет описано далее), ток индуктивности накопителя
50 через разделительный конденсатор 49 и токоограничивающий резистор 51
поступает на первичную обмотку 37 трансформатора. Наличие емкостного
источника 22 ограничивает рост напряжения, приложенного к ключевому элементу
(для определенности оно выбирается 400-600 В по качеству транзисторов).
Разрядник срабатывает при достижении заданного уровня напряжения, импульс
возбуждения подается на блокировочный дроссель 10 с отрицательной
полярностью согласно способу.
Ток индуктивности не может прекратиться скачком. Но он может переключиться
скачком из одной цепи в другую. В данном случае iK0M прекращается за десятые
доли микросекунды, и ток индуктивности накопителя 50 скачком переходит в
первичную обмотку 37 трансформатора. Но остается ток 6 индуктивности
источника 4. Он скачком переходит из ключевого элемента 12 в цепь источника 9.
Так вырабатывается форсирующее напряжение. Можно видеть, что в этой схеме
отсутствует индуктивность коммутирующего ключа в цепи нарастающего тока
дуги. Это облегчает запуск.
Для возбуждения искры и дуги используются импульсы с наносекундными
фронтами. Чтобы высокое напряжение не могло проникнуть на сварочный
трансформатор, оно блокируется индуктивностью блокировочного дросселя 10 и
емкостью блокировочного конденсатора 7. Эти импульсы вырабатываются
разрядником. Экспериментально наблюдались "просечки" (пропуск) импульсов, в
аппаратах используется несколько разрядников, включенных параллельно.
В принципе нужное укорочение импульсов может быть получено и с помощью
магнитных ключей (Км), но теория Км все еще недостаточна для их практического
использования в возбудителях. Поэтому приведем полученные результаты. На
фиг. 11а показаны два типа магнитных ключей Км - "П"-типа или Км типа "А", и Км
"Т"-типа или Км типа "Б" в общепринятой терминологии. Так, как они изображены
на фиг. 11а, они могут включаться каскадно (по принятому в электронике обычаю
полагаем, что энергия распространяется слева направо).
На фиг. 11ж,з приведены реальные гистерезисные циклы магнитных материалов,
используемых в Км. Напомним, что при нулевой напряженности Н (нулевой сумме
токов во всех витках) индукция В (0) может находиться в любой точке внутри
петли гистерезиса. Это коренным образом отличается от состояния обычной
электрической схемы, где перед началом процесса, если пауза длилась
достаточно долго, то напряжения на конденсаторах нулевое, токи в
индуктивностях нулевые, рассеиваемая на резисторах мощность нулевая. Это
вытекает из закона сохранения энергии, так как ненулевая мощность означает
непрерывный приток энергии. Но ненулевая индукция в магнитопроводе может
быть при нулевой энергии, и поэтому возможна.
Кроме того, в цепочках Км наблюдаются явления, аналогичные тем, которые
изучаются в новом разделе математики, известном как "теория катастроф". При
этом из равных начальных условий (причин) следуют неравные следствия, то есть
"беспричинные явления". Примером может служить объект, называемый
"аттрактором", или движение жидкости в турбулентном режиме. Именно поэтому
погода в принципе не может быть предсказана на длительный период, и дело не в
несовершенстве компьютеров. В цепочках Км это выражается в непериодических
переходных процессах в каждом полупериоде питающего напряжения сети, в
скачкообразной "смене мод колебаний", в изменениях времени появления
импульсов возбуждения и даже его знака. Это делает работу возбудителя
нестабильной, и поэтому вопросам смещения должно быть уделено самое
пристальное внимание.
Работу Км можно понять на примере цепочки Км типа "А" на фиг. 116. Пусть
вначале все магнитопроводы смещены в положение -Вт внешним источником. На
первый слева конденсатор подается ступенька напряжения. Первый слева Км
движется от -Bs к +BS. Когда его вольтсекундная площадь исчерпывается,
магнитная проницаемость магнитопровода падает (в феррите от 1,2 до 2,0 от
проницаемости вакуума, это больше единицы, так как площадь сечения витка
обмотки больше площади магнитопровода, в пермаллое и аморфной стали -
аналогично, в электротехнической стали остается проницаемость от 20 до 3 в
зависимости от глубины насыщения и качества отжига стали). Индуктивность
насыщенного первого Км оказывается включенной последовательно в цепь с
первым и вторым конденсаторами, причем в этот момент напряжение щ на
первом конденсаторе максимально, a U2 на втором конденсаторе равно нулю. В
цепи проходит ток в виде половины синусоиды, напряжение щ падает до нуля,
напряжение U2 растет до максимального, ток "норовит стать" отрицательным, но
это означает, что к первому Км приложено обратное напряжение, которое он
может удерживать в меру своей вольтсекундной площади. На фиг. 11в можно
видеть, что появляется напряжение и на втором Км, далее происходит такой же
процесс, каждый Км укорачивает длительность импульса, оставляя амплитуду
напряжения, и, следовательно, увеличивая ток.
На фиг. 11г показана цепочка Км типа "Б". При поступлении напряжения щ через
конденсатор предшествующего Км происходит трансформация тока в конденсатор
Ci, причем ток через Км 2 насыщает его и поддерживает в насыщенном состоянии
все время зарядного тока Ci. В это время Км 1 работает трансформатором,
индукция движется от -Bs до +BS. При достижении насыщения происходит
превращение Км 1 в малую индуктивность, заряженный Ci перезаряжается
обратным током до обратного напряжения, то есть имеет место двойной перепад
амплитуды напряжения. При этом Км 2 выходит из насыщения, конденсаторы Ci и
С2 оказываются включенными последовательно, на С2 оказывается половина
двойного перепада напряжения, то есть одинарный перепад обратного знака. (Для
лучшего представления работы Км типа "Б" полезно представить обмотки
включенными согласно, как это показано на фиг. 11г, и витки равными, тогда эти
обмотки могут быть соединены, и трансформатор превращается в дроссель, все
конденсаторы оказываются равными и соединенными в последовательную цепь).
Можно видеть, что Км типа "Б" позволяет изменить полярность и производить
трансформацию, то есть переходить от сравнительно низких напряжений до
высоких, что будет использовано в дальнейшем.
Обратим внимание, что напряжение ui на Км 1 представляет ряд косинусоид с
уменьшающимися полупериодами от срабатывания каждого последующего Км с
переменой знака напряжения (можно показать, что отличие коэффициентов
трансформации в цепи Км от единицы не меняет напряжение щ). Заметим, что
напряжение на выходе Км типа "А" знак не меняет, и "дриблинга" там нет. Это
важно для возбуждения дуги, как будет показано далее.
Считается, что в конце цепочки Км имеется нагрузка в виде резистора или
искрового промежутка, где и поглощается энергия импульса. В этом случае в
цепочке Км типа "А" все конденсаторы оказываются разряжены, а все
магнитопроводы находятся в состоянии +BS. В цепочке Км типа "Б" последний
импульс "дриблинга" имеет нулевое напряжение. Далее следует новый
полупериод напряжения сети с установкой смещения.
Однако может быть, что в конце цепочки Км нет нагрузки (не было искры), или
имеется КЗ или XX. В этом случае имеет место отражение импульса влево по
схеме, причем имеют место разные варианты. Например, в цепочке Км типа "А"
(фиг. 116) последний Км 4 устраивает "дриблинг" между последним конденсатором
Сд, у Км 3 слева находится нулевое напряжение, справа перемежающиеся нуль и
полная положительная амплитуда, пока это положительное напряжение по
площади не превысит вольтсекундную площадь Км 3, который срабатывает
(причем все замечания относительно "аттрактора" имеют действие), импульс
распространяется налево.
Проще проходит процесс в цепочке Км типа "А", если на выходе КЗ. В этом случае
положительное напряжение на последнем конденсаторе "переворачивается", то
есть становится отрицательным, и вся цепочка Км типа "А", находящихся в
состоянии +BS, передает этот импульс налево, причем времена соответствуют не
времени выдержки Км, а времени их переключения. Это выражается в том, что при
осциллографировании тока, например Км 1, после импульса тока тут же
появляется второй импульс тока чуть меньшей амплитуды (из-за потерь).
Если имеет место процесс в цепочке типа "Б", и на выходе имеет место КЗ, то
справа налево распространяется импульс обратной полярности, то есть имеет
место двукратный ток Км. Если же на выходе XX, то вначале возникает проблема,
как конденсатор зарядится при XX. Если для этого приняты меры, то затем при
срабатывании последнего Км процесс как бы заканчивается, и импульс назад
вообще не распространяется.
Смещения тока для правильной работы Км с учетом того, что характеристики
магнитных материалов могут быть такими, как показаны на фиг. 11, то есть
возможны ППГ (с прямоугольной петлей гистерезиса) или ближе к линейным
(ферриты), показаны на фиг. 11. Рассмотрение работы Км удобно начать с
последнего по времени этапа, продвигаясь затем по времени к более ранним
этапам. При этом продолжительность каждого предшествующего этапа
возрастает пропорционально укорочению каждого Км.
Этап "1" - переключение. Насыщенный Км представляет собой индуктивность,
включенную между двумя равными емкостями, одна из которых заряжена, другая
при нулевом напряжении, то есть емкость контура равна половине емкости
конденсатора (в Км типа "Б" имеется в виду "приведенная емкость").
Этап "2" - интегрирование или выдержка. Для Км типа "Б" его можно назвать
"заряд" или "трансформация". Если Км типа "Б" имеет равные согласно
включенные обмотки или если это Км типа "А", то они ведут себя как дроссель, ток
которого - есть ток намагничивания в соответствии с его кривой намагничивания.
Если же Км - есть типа "Б" с разделенными обмотками, то в них текут
трансформированные токи в противоположных направлениях. На этом этапе
индукция идет от -Bs до +BS, затем - этап "1".
Этап "3" имеет место только для Км типа "Б". Его можно назвать "предустановка"
или "смещение". На этом этапе конденсатор предшествующего Км заряжается
через данный Км током переключения предшествующего Км. Это благоприятно для
данного Км, так как этот ток смещает его в состояние готовности к этапу 2, то есть
в -Bs. У Км типа "А" этот этап отсутствует, поэтому необходимо принимать меры
для нужного смещения.
Этап "4" может быть назван этапом "помехочувствительности". Пусть имеется
цепочка Км типа "Б" с единичными коэффициентами трансформации. Тогда
конденсаторы соединены последовательно и в них имеет место "дриблинг" с
уменьшающимися периодами. Если ток данного Км на этапе "3" является
благоприятным для него, то ток на предыдущем этапе дает обратное смещение
(хотя амплитуды предшествующих токов уменьшаются пропорционально
увеличению их периодов). Необходимо принять меры для недопущения помех.
Хотя на этапе "3" данный Км будет смещен в нужном направлении, мы имеем дело
не с пассивной RC-цепочкой, а с нелинейными индуктивностями, связанными
емкостями. Смещение магнитопровода в данном направлении пропорционально
вольтсекундной площади приложенного к обмотке напряжения. Для получения
конечной площади при конечном времени смещения требуется отличное от нуля
напряжение. Но это напряжение оказывается на конденсаторах. Это - энергия,
притом потерянная. Само по себе это терпимо, так как энергия зависит от
квадрата напряжения и может быть небольшой, но эти небольшие напряжения в
течение длительного времени двигают другие Км в разных непредусмотренных
направлениях, система связанных Км превращается в типичный
"аттрактор" с непредсказуемым поведением. Поэтому должны быть организованы
токи смещения с минимальной возможной скоростью нарастания. Приведем
числовой пример для типичной цепочки Км. Пусть три последних Км ферритовые,
имеют укорочения по пять раз, предыдущие - стальные с укорочением "10" и "20".
Ток последнего Км есть 200 А при 7000 В за время 23 нс, напряженность 35000
А/м. (Полезно сравнить параметры Км с известными параметрами транзисторных
или тиристорных ключей). В предыдущем этапе напряженность 7000 А/м, на этапе
"3" - 1400 А/м, на этапе "4" - 140 А/м. Обратившись к характеристикам магнитных
материалов на фиг. 11, можно видеть масштаб неприятностей на этапе "4" и
величины смещений, необходимых для их избежания.
В варианте устройства возбуждения с магнитными ключами организован
следующий порядок смещения: на данный Км заводится ток смещения от
предпредшествующего Км, который готовит его к этапу "2" (интегрирования), и от
предпредпредшествующего Км заводится ток помехозащиты с соответствующей
полярностью, готовящий его к этапу "3" (смещения) и предохраняющий его на
этапе "4" (помехочувствительности). Это показано на фиг. 116 для цепочки Км
типа "А", на фиг. 11г для цепочки Км типа "Б" и на фиг. 11е для цепочки Км типов
"Б", "Б", "А", "Б". В случае если предшествующий Км есть типа "Б", то он сам дает
ток "смещения", поэтому еще специально заводить смещение нет необходимости,
хотя и не помешает. При численном расчете токов смещения может быть принято
правильное решение.
Последний Км в цепочке, имеющий выход на выходные клеммы сварочного
аппарата и на сварочные кабели, имеет особый режим работы. Если это Км типа
"Б", то через него и нагрузку должен проходить ток "заряда" на его этапе "2", и ток
"смещения" на его этапе "3". Но на выходе имеются сварочные кабели с
незначительной емкостью и индуктивность импульсного дросселя с относительно
большой индуктивностью. Необходимо обеспечить пути для прохождения этих
токов. Для этого необходимо использовать дополнительный Км зар (зарядный
ключ) с соответствующим смещением. Более подробно это будет описано на
примере конкретного выполнения возбудителя.
Согласно предложенному способу на цепочку Rn0M СПОм должно быть подано
помогающее напряжение с помощью помогающего ключа. В возбудителе на Км с
этой целью предлагается использовать напряжение на одном из Км цепочки типа
"Б", у которого время интегрирования (этап "2") больше, а время переключения
(этап "1") меньше, чем постоянная времени помогающей цепочки. Полярность
помогающего импульса должна быть соответствующей способу, и его амплитуда
может быть рассчитана известными методами. На выбранном Км типа "Б" может
быть сделана дополнительная обмотка помогающего напряжения. Как указано
выше, на Км типа "Б" после окончания этапа "1" ("переключение") наступает
знакопеременный "дриблинг" (фиг. 11 д), заканчивающийся нулевым напряжением
в случае полного ухода энергии цепочки Км в нагрузку. Тогда на помогающем
конденсаторе остается помогающее напряжение, до которого он зарядился на
этапе "2" его Км. Оно будет способствовать возбуждению.
На фиг. 11 е показан вариант получения помогающего напряжения с Км типа "А" с
временами этапов "1" и "2", как указано выше. Определенным преимуществом в
этом случае является отсутствие "дриблинга" на Км типа "А".
Как видно из описания работы Км типа "А" или Км типа "Б" с равными обмотками,
включенными согласно (дроссель), существенный ток протекает только на этапе
"1". Это позволяет зарядить С и сохранять заряд на нем до окончания всех
процессов в Км вплоть до начала нового цикла. На фиг. 11 и показано соединение
помогающего конденсатора с одним заземленным концом (что нужно для
правильной работы помогающей цепи), включенным в последовательную цепь с
Км типа "А" и его нагрузкой - Км типа "Б". У Км типа "А" на этапе "2" отсутствует ток
заряда, поэтому через него будет проходить только ток заряда предшествующего
Км типа "Б", который значительно меньший, так как более растянут по времени. Он
проходит через емкости и R и уходит в цепь источника сварочного тока.
На фиг. 11к показан вариант включения помогающей цепи в цепь Км типа "Б"
дроссельного типа. Часто такой вариант оказывается удобным из-за нужной
полярности импульсов на Км. Время срабатывания Км 4 в этом конкретном случае
составляет около 0,8 мкс, то есть помогающий ток удерживается достаточное
время после запуска, а обнуление наступает только через сотни микросекунд в
следующем цикле смещения.
Как описано выше, токи в этих этапах работы Км являются знакопеременными и,
следовательно, проходят через нулевое значение. Но при нулевом значении
токов существенным становится форма петли гистерезиса, так как феррит
"сползает" к -В. Чтобы не допускать появления "аттрактора" необходимо иметь
смещение не менее определенной величины (фиг. 11ж,з).
На фиг. 10 приведена схема возбудителя по предложенному способу,
выполненная полностью на Км без разрядника. Возбудитель предназначен для
работы с насыщающимся силовым трансформатором, имеющим значительный
ток XX и достаточно крутой фронт выхода из насыщения. Первые три Км
выполнены из стали и имеют синхронизирующий ток смещения, как и возбудитель
на фиг. 8, но вместо высоковольтного трансформатора импульса возбуждения
включен Км 3 типа "А".
Параметры его выбираются такими, что он насыщается на уровне,
соответствующем уровню срабатывания разрядника на фиг. 7 (см.
осциллограммы).
Ток ii на фиг. 10 - есть ток i(t) на фиг. 7. Можно видеть, что ток достигает
максимума, затем уменьшается, и возбуждение происходит при токе 2/3-3/4 от
максимума (это выбирается при отладке изменением числа витков Км 2). Время
этого тока составляет 700 мкс для данного примера, время срабатывания цепочки
Км до момента возбуждения дуги составляет 50-30 мкс, то есть за это время этот
ток можно считать неизменным. Последовательно в цепь этого тока включена
цепочка из двух параллельных ветвей, в одной из которых находится
ненасыщающаяся индуктивность 72 1_ф с последовательными обмотками
смещения на всех Км, начиная с Км 3, и также Км зар, а в другой резистор 78
фильтра Иф, так что постоянная времени 1_ф/Иф соизмерима с длительностью тока
ii. Тогда ток в индуктивности 72 к моменту возбуждения будет близок к току и, а
затем он сохранится на время срабатывания остальных Км и возбуждения дуги.
RC-цепь из резистора 17 и конденсатора 19 включена на вход Км 3, как это
описано ранее. Приведены также полярности импульсов на входах Км.
При срабатывании Км на витках смещения возникают импульсы, каждый раз
увеличивающие ток смещения последующих Км. Можно видеть, что на Км 6
напряжение на витках смещения составляет половину от полного напряжения Км,
то есть 4 кВ и более. Это неудобно с точки зрения изоляции обмотки.
На фиг. 10 приведен вариант смещения от напряжения на Км 2. Это напряжение
ui(t) (фиг. 7) становится нулевым и даже меняет знак в момент срабатывания Км 2,
то есть оно как бы непригодно для создания тока смещения. Но из-за включения
индуктивности дросселя 72 постоянная времени оказывается достаточной для
сохранения накопленного тока. В этом варианте достаточно одного витка
смещения, пронизывающего Км 2 и далее, проблема с высокими напряжениями
снимается. Элемент 78 сопротивления - это сопротивление самого провода,
выбранного соответственно.
На фиг. 12 представлен пятый вариант предложенного устройства,
предназначенный для работы трансформатора с насыщением. Общая цепь
смещения от Км 2 на Км 3, 4, 5, 6, и Км зар выполнена в виде одного витка, как в
предыдущем возбудителе. Смещения от токов h, i2, is, U компенсируют влияния
этих токов на этапах помехочувствительности каждого из Км. Помогающее
напряжение вырабатывается на конденсаторе 19, последовательно включенном в
цепь Км 4 типа "Б". Время нарастания помогающего напряжения оказывается
около одной микросекунды, за это время не произойдет разряд помогающей цепи.
Также не произойдет отток помогающего тока в индуктивность коммутирующей
цепи (см. фиг. 2). В то же время ток заряда емкости третьего ключа Км 3 при
срабатывании Км 2, проходящий через Км 4 и резистор 17 оказывается
небольшим, то есть постоянная времени помогающей цепи должна располагаться
между временем срабатывания Км 4 и временем накопления Км 3, то есть в
гораздо более широком интервале, чем в предыдущих схемах, что облегчает
реализации помогающей цепи.
На данном примере возбудителя удобно рассмотреть работу зарядного
магнитного ключа Км зар- Он выполнен на феррите значительно меньших
размеров, чем блокировочный дроссель 10. Это связано с тем, что при
наносекундных временах уже существенно сказывается влияние магнитной
вязкости, и чем меньше объем магнитопровода, тем меньше потери. Можно
видеть, что для Км "помехосоздающим" является ток i4, а "смещающим" - ток is.
Хотя Км зар смещен общим током витка в правильном направлении, численный
расчет показывает, что ток помехи требует не менее 2-3 витков от тока i4 для его
компенсации. Он удерживается в состоянии "-В " на этапе
"помехочувствительности", общим током смещения и током i4, затем продолжает
удерживаться в этом состоянии более значительным током этапа "смещения" от
тока is, конденсатор 22 при этом заряжается, а затем при этапе "переключения"
для Км 6 отрицательный импульс подается на дроссель 10 и выход линии.
Как следует из описания работы магнитных ключей Км, порог их включения
определяется не уровнем напряжения, а его интегралом, и по своей природе Км не
может держать постоянное напряжение. Поэтому в цепи Км обязательно должна
быть последовательная емкость, блокирующая постоянное напряжение. Все
предложенные выше возбудители с Км предназначены для работы с
насыщающимися трансформаторами. Кроме того, так как трансформаторы на
разные сварочные токи имеют разную индуктивность, то получается различное
время процессов, и поэтому для каждого типа трансформаторов на разный
сварочный ток должен быть возбудитель с различными параметрами Км.
Для работы с трансформаторами различного типа более удобен электронный
ключ, способный размыкаться и блокировать постоянное напряжение.
На фиг. 13 показана схема ключевого элемента 12, удовлетворяющего
требованиям, отмеченным в описании устройства по фиг. 9.
Работа ключевого элемента 12 происходит следующим образом. При поступлении
напряжения любой полярности на шины 5-6 в выходной диагонали моста
полярность положительна. Вначале транзистор 85 и тиристор 97 закрыты. По
мере роста напряжения от источника 4 питания напряжение на опорном резисторе
102 растет и достигает порога срабатывания тиристора 97 (0,5-0,6 В). Ток этой
цепочки порядка миллиампера, он недостаточен для открытия транзистора 85,
запертого резистором 92. Но из-за конденсатора 98 ток тиристора 97 будет
значительно больше и ограничивается резистором 100. Этот ток открывает
транзистор 85, происходит регенеративный процесс в базовом трансформаторе
88, и затем ток из силовой цепи будет трансформироваться в базовую цепь
транзистора 85, поддерживая его в открытом состоянии. Если источник имеет
индуктивное сопротивление (сварочный трансформатор), то ток в нем нарастает
постепенно за время в сотни микросекунд. Напряжение на базе транзистора 85
относительно сборной точки фиксируется цепочкой ограничивающих диодов 93-
94. По мере роста тока увеличивается падение напряжения на
токоограничивающем резисторе 86, подводящее транзистор 85 к запиранию.
Транзистор 85 выходит из насыщения, происходит регенеративный процесс. Для
ускорения запирания служит ускоряющий трансформатор 90 с очень малыми
витками и с минимальной индуктивностью рассеяния. Ток в индуктивности не
может остановиться скачком, он поднимает напряжение на внешнем конденсаторе
за пределами схемы ключевого элемента 12 (см. фиг. 9), происходит
колебательный процесс во внешней цепи. Защитный конденсатор 103 частично
ограничивает перенапряжения на транзисторе 85, так же как и варистор 84, но его
роль не только в этом. Он не позволяет упасть напряжению и току тиристора 97,
так что ток тиристора 97 поддерживается, хотя и достаточно малый, так как вся
цепочка резисторов его ограничивает, а конденсатор 98 разряжен.
За время действия прямого тока ключевого элемента 12 на базовом
трансформаторе 88 с разрезанным магнитопроводом 85 накапливается
индуктивный ток, и так как эмиттерная цепь транзистора 85 закрыта, то этот ток
отрицательной полярности (то есть закрывающий для транзистора п-р-п типа)
идет через обратный диод 96. Например, если эмиттерный ток был 5 А, базовый
ток был 2,5 А, то индуктивный ток может быть выбран 1 А, и в базу остается 1,5 А,
что вполне достаточно. При таком закрывающем токе ток тиристора 97 не может
открыть транзистор 85 второй раз. Тиристор 97 так и остается открытым
миллиамперным током до окончания полупериода, пока ток не упадет ниже тока
удержания тиристора 97 с цепочкой резисторов 99-102 (может быть сделан
порядка 0,5 мА). Затем тиристор 97 закрывается и остается закрытым оставшуюся
часть полупериода, и следующее открытие будет в новом полупериоде при новом
нарастании напряжения источника 4 до порогового. Обратим внимание, что
закрывающий ток транзистора 85 продолжается примерно двойное время его
открытия, так как обратное напряжение на обратном диоде 96 примерно вдвое
меньше прямого напряжения на двух диодах 93, 94.
Таким образом, выполняются требования, предъявляемые к ключевому элементу
12: срабатывание при уровне напряжения, устанавливаемого с помощью
резистора 102, отпускание при установлении максимального тока, регулируемое
резистором 86, блокировка второго срабатывания за полупериод. Если по какой-
то причине ток транзистора 85 нарастает недостаточно быстро (при большой
индуктивности внешней цепи), то базовый трансформатор 88 исчерпывает свою
вольтсекундную площадь, насыщается и размыкает ключевой элемент 12. Это
одностороннее насыщение условно показано на схеме в общепринятых
обозначениях. Обычно же этот трансформатор рассчитывается на весь диапазон
работы возбудителя от трансформаторов с различным рабочим током и поэтому
различной индуктивностью. Например, возможна работа возбудителя в диапазоне
сварочных токов 300-30 А без перестройки.
Обратим внимание, что время замыкания транзисторного ключа составляет
несколько сот микросекунд в зависимости от индуктивности сварочного
трансформатора. В это время напряжение на коллекторе близко к нулю,
напряжение на резисторной цепочке и на конденсаторе 98 нулевое, тиристор 97 с
неизбежностью закрывается. Далее следует скачок напряжения до нескольких сот
вольт, тиристор 97 открывается, но транзистор 85 в это время закрыт амперным
током, и открытие тиристора 97 его не открывает. Когда же амперные токи
закрытия заканчиваются, высоковольтные переходные процессы давно
закончились, и тиристор 97 остается открытым в режиме миллиамперных токов,
не способных вызвать повторное срабатывание транзистора 85.
На фиг. 14 показана схема возбудителя, в которой смещение обеспечивается
применением трансформатора высоковольтного импульса с разрезным
магнитопроводом, который сам является индуктивным накопителем. Это вдвое
уменьшает перепад индукции, то есть требует двойного числа витков, но
позволяет использовать возбудитель без смещения, то есть он может быть
использован для любого трансформатора, не обязательно насыщающегося.
Работа возбудителя происходит аналогично описанному.
На фиг. 15 показана схема возбудителя, в которой смещение обеспечивается от
тока ii индуктивного накопителя 104. Ток из обмотки смещения трансформируется
в первичную обмотку и заряжает разделительный конденсатор 106 так, что
насыщение обеспечивается при любом первоначальном значении индукции. Для
этого обычно достаточно 1/10 числа витков обмотки смещения от витков обмотки
37.
На фиг. 16 показана схема возбудителя с электронным ключевым элементом 12 с
магнитными ключами без использования разрядника. Электронный ключевой
элемент 12 дает такое укорочение длительности фронта, что Км 2 не требуется,
цепочка Км начинается сразу с Км 3. Смещение Км 3 обеспечивается током и, как
это описано выше для смещения трансформатора. Кроме того, ток и используется
для защиты на этапе помехочувствительности Км 5, как это описано ранее. Км 6
имеет смещение от тока is, а Км зар - от тока i4, как это описано ранее. Имеется
общая цепь смещения от тока и дросселя 72 фильтра и сопротивления 34
фильтра, как это описано ранее для магнитных ключей.
Обратим внимание на Км 4 с разделенными обмотками. Они используются для
изменения полярности (знака), но, так как они гальванически могут быть
разъединены, то часть схемы можно помещать относительно нулевой шины, а
часть относительно верхней, как это удобно. Импульс возбуждения с Км 6
подается относительно верхней шины. Это несколько изменяет соотношения при
запуске, но незначительно, так как напряжение на блокировочном конденсаторе 7
изменяется током заряда индуктивности источника 4. Напомним, что время
заряда - есть время прохождения отрицательного импульса возбуждения по
элементу 11 "длинная линия" сварочных кабелей и возврата, то есть составляет
десятки наносекунд. При возбуждении искры и дуги время спадания тока
индуктивности от десятков ампер составляет десятые доли микросекунды, и за
это время конденсатор 7 заряжается на сотни вольт. Поэтому можно полагать, что
подключение цепи импульса возбуждения относительно земляной шины или
верхней шины одинаково, и его можно выбирать из соображений конструктивного
удобства.
Аппараты с возбудителем по предложенному способу имеют такое легкое
возбуждение дуги и такую стабилизацию, что проблема выбора сварочного тока
предстает в совершенно другом свете. Сварщик не ощущает изменения
сварочного тока, например, в полтора раза. Более того, возможно варить металл
0,8 мм при токе дуги 200 А, если сварщик прерывает этот ток с большой
скоростью. Тем не менее для сварки особо тонких деталей целесообразно иметь
токи порядка 50-20 А. В принципе такая регулировка возможна при использовании
подвижного магнитного шунта. При этом индуктивность изменяется обратно
пропорционально току. Это создает проблемы для магнитных ключей (для Км 1 и
Км 2). Возбудители с электронным ключом работают в более широком диапазоне
индуктивностей. Тем не менее полезным оказывается возбудитель с добавочной
балластной индуктивностью, показанный на фиг. 17. Балластный дроссель 107 с
обмоткой 108 на стали с воздушным зазором обычного типа шунтирован
конденсатором 109 передачи импульса возбуждения и поддерживающей цепочкой
RC из резистора 110 и конденсатора 114 может быть в диапазоне от долей
нанофарады до единиц микрофарад, поддерживающая цепочка, например 10,0
мкФ и 20 Ом. Она поддерживает ток дуги пока дроссель 107 набирает ток
несколько ампер, достаточный для горения дуги. Затем ток достигает 50-20 А, для
которого и предназначен балласт. Дроссель 107 может быть на один ток или
иметь отводы, или иметь плавную регулировку движением катушек или
изменением магнитного зазора. Для уменьшения габаритов и веса дросселя
предлагается выполнить его насыщающимся. Например, если сам сварочный
трансформатор рассчитан на ток 200 А, а вольтсекундная площадь дросселя
взята 0,65 от приложенного напряжения, то ток после его насыщения
(эффективное значение) составляет всего 0,2 от тока источника, то есть 40 А для
приведенного примера. На фоне "плавного тока" 20 А возникает импульс тока с
эффективным значением 40 А. Такие импульсы даже способствуют улучшению
качества сварки, как известно, а дроссель с насыщением оказывается на 35%
легче. Практика показывает возможность иметь устойчивую дугу при токах в доли
ампера.
Как можно видеть из описания возбудителей выше, балластный дроссель не
влияет на их работу как при электронных, так и магнитных ключах.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ возбуждения электрической дуги, при котором перед подачей на
дуговой промежуток импульса напряжения возбуждения закорачивают выход
источника питания электрической дуги на время нарастания тока короткого
замыкания до уровня стабильного тока дуги, отличающийся тем, что после
достижения тока короткого замыкания уровня стабильного тока дуги к выходу
источника питания электрической дуги подают форсирующее напряжение той же
полярности, превышающее напряжение источника питания, после чего на дуговой
промежуток подают с задержкой по времени импульс напряжения возбуждения
обратной полярности по отношению к источнику питания электрической дуги,
превышающий по номиналу форсирующее напряжение и имеющий укороченную
длительность фронта.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что время задержки импульса напряжения
возбуждения выбирают в диапазоне 3 - 300 нс.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение времени задержки импульса
напряжения возбуждения к длительности его фронта составляет 1 - 30.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что форсирующее напряжение формируют
путем трансформации энергии источника питания из закорачивающей его цепи.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульс напряжения возбуждения
формируют путем трансформации энергии источника питания из закорачивающей
его цепи.
6. Устройство для возбуждения электрической дуги, содержащее источник
импульсов напряжения возбуждения, первую и вторую клеммы дугового
промежутка, источник питания электрической дуги, параллельно которому
подключены блокировочный конденсатор и ключ с пороговым элементом,
отличающееся тем, что в него введены источник внутреннего форсирующего
напряжения, блокировочный дроссель и элемент "длинная линия", при этом
источник внутреннего форсирующего напряжения соединен согласно с
источником питания электрической дуги, а источник импульсов напряжения
возбуждения соединен с источником питания электрической дуги встречно одним
своим выводом - через блокировочный дроссель и другим - непосредственно, а
через элемент "длинная линия" выводы источника импульсов напряжения
возбуждения подключены к первой и второй клеммам дугового промежутка.
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что источник внутреннего форсирующего
напряжения выполнен в виде последовательно соединенных ключевого элемента,
элементов сопротивления и индуктивности и емкостного источника напряжения.
8. Ключ для устройства возбуждения электрической дуги, содержащий
конденсатор, насыщающийся магнитопровод с рабочей обмоткой, один вывод
которой соединен с входом магнитного ключа, а другой вывод - через конденсатор
с выходом, отличающийся тем, что введена обмотка смещения для
последовательного соединения с первичной обмоткой силового трансформатора
с насыщающимся магнитопроводом источника питания электрической дуги.
9. Ключ для устройства возбуждения электрической дуги, содержащий
конденсатор, разрядник, насыщающийся магнитопровод трансформатора с
рабочей и высоковольтной обмотками, к последней из которых подключен
конденсатор и разрядник, отличающийся тем, что введена обмотка смещения для
последовательного соединения с первичной обмоткой силового трансформатора
с насыщающимся магнитопроводом источника питания электрической дуги.
10. Способ подготовки к срабатыванию ключа устройства возбуждения
электрической дуги, выполненного в виде каскадной цепочки из п магнитных
ключей, включающий установку i-ro ключа в исходное состояние намагничивания,
отличающийся тем, что для срабатывания i-ro магнитного ключа подают ток
смещения от (i-2)-ro магнитного ключа и ток помехозащиты от (i-3)-ro магнитного
ключа.
РИСУНКИ
Фиг. 1
L
Фиг.2
Фиг.З
Фиг.4
Фиг.6
Фиг. 7
25
27
28
2
Фиг. 8
4
25 27 28 2
Фиг. 10
Фиг. 11
Фиг. 12
5
4
5
10
Фиг. 14
з
Фиг. 15
Вх Вых
Фиг. 16
Фиг. 17
(19) RU (11)2011493(13) С1
(51) 5 B23K9/06
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ
ЗНАКАМ
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Статус: по данным на 07.04.2008 - действует
(72) Автор(ы): Буденный Анатолий
Павлович
(73) Патентообладатель(и):
Буденный Анатолий
Павлович
(21) Заявка: 4953162/08
(22) Дата подачи заявки: 1991.06.27
(45) Опубликовано: 1994.04.30
(71) Заявитель(и): Буденный Анатолий
Павлович
(54) СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО
ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Использование: в электротехнике, а именно в сварочных аппаратах. Сущность
изобретения: способ заключается в подаче на дуговой промежуток напряжения от
источника питания сварочной дуги и импульсов возбуждения. Перед подачей
импульсов возбуждения закорачивают выход источника питания сварочной дуги на
время нарастания тока короткого замыкания до уровня стабильного тока дуги.
Устройство содержит источник питания сварочной дуги, пороговый элемент, ключ,
возбудитель импульсов зажигания, выходные шины источника питания. 2 с. п. ф-лы,
8 ил.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к электротехнике, а именно к способу и устройствам для
питания сварочной дуги переменного тока, и может быть использовано в сварочных
аппаратах с малым напряжением холостого хода.
Известен способ возбуждения сварочной дуги, заключающийся в подаче напряжения
источника питания на дуговой промежуток и коммутации витков обмотки
трансформатора [1].
Однако этот способ не обеспечивает эффективного запуска сварочной дуги при
конструировании современных малогабаритных сварочных аппаратов.
Известно устройство для возбуждения сварочной дуги, содержащее ключ, вход
которого соединен с выходом порогового элемента, первый вход которого
подключен к первой выходной шине источника питания сварочной дуги [1].
Однако это устройство не обеспечивает эффективного запуска сварочной дуги.
Наиболее близким к предлагаемому является способ возбуждения сварочной дуги,
заключающийся в подаче на дуговой промежуток напряжения от источника питания
сварочной дуги и импульсов возбуждения, реализованный в устройстве для
возбуждения сварочной дуги, содержащем источник питания сварочной дуги, первая
выходная шина которого является первой выходной шиной устройства, а вторая
выходная шина соединена с первым выходом возбудителя импульсов зажигания [2].
Однако известные способ и устройство также не позволяют обеспечить надежный
запуск при напряжениях холостого хода источника питания сварочной дуги, так как
ток через выходную индуктивность источника питания не может достичь быстро
необходимого значения, что сказывается на качестве переходного процесса
зажигания сварочной дуги, при напряжениях холостого хода источника питания
сварочной дуги, близких к напряжению ее горения.
Целью изобретения является повышение надежности запуска при напряжениях
холостого хода источника питания сварочной дуги, близких к напряжению ее
горения.
Поставленная цель достигается тем, что в способе возбуждения сварочной дуги,
заключающемся в подаче на дуговой промежуток напряжения от источника питания
сварочной дуги и импульсов возбуждения, перед подачей импульса возбуждения
закорачивают выход источника питания сварочной дуги на время нарастания тока
короткого замыкания до уровня стабильного тока дуги.
Поставленная цель достигается также тем, что в устройство для возбуждения
сварочной дуги, содержащее источник питания сварочной дуги, первая выходная
шина которого является первой выходной шиной устройства, а вторая выходная
шина соединена с первым выходом возбудителя импульсов зажигания, введены
пороговый элемент и ключ, причем силовые выводы ключа соединены с выходными
шинами источника питания сварочной дуги, к которым подключены входные выводы
порогового элемента, выход которого соединен с входом управления ключа, а
второй выход возбудителя импульсов зажигания подключен к второй шине
источника питания сварочной дуги.
Сущность изобретения заключается в том, что закорачивание выхода источника
питания подготавливает источник питания к быстрому возбуждению дуги, так как ток
через его индуктивность возрастает до необходимого значения, что определяет
успешный запуск при малых напряжениях источника питания.
На фиг. 1 дана функциональная схема устройства для возбуждения варочной дуги,
реализующая предложенный способ; на фиг. 2 - ключ в транзисторном исполнении с
пороговым элементом; на фиг. 3 - возбудитель импульсов зажигания для работы с
транзисторным ключом; на фиг. 4 - предлагаемое устройство с ключом без
использования полупроводниковых элементов и возбудителя импульсов зажигания;
на фиг. 5 - выполнение ключа и порогового элемента, совмещенных в разряднике; на
фиг. 6 - фазовый портрет возбуждения дуги; на фиг. 7 - временные диаграммы на
выходе источника питания сварочной дуги; на фиг. 8 - временные диаграммы на
выходе источника питания сварочной дуги с ключом без использования
полупроводниковых элементов.
Устройство для возбуждения сварочной дуги содержит источник 1 питания
сварочной дуги, пороговый элемент 2, ключ 3, возбудитель 4 импульсов зажигания,
выходные шины 5 и 6, к которым подключены электрод и деталь соответственно,
образующие дуговой промежуток. Источник 1 питания сварочной дуги включает
источник 7 возбуждения, дроссель 8, первую и вторую выходные шины 9 и 10
соответственно. Возбудитель 4 импульсов зажигания выполнен в виде импульсного
трансформатора с первичной 11 и вторичной 12 обмотками. Силовые выводы 13 и
14 ключа 3 соединены с шинами 9 и 10 соответственно.
Ключ 3 в транзисторном выполнении (фиг. 2) содержит двуполярный лавинный диод
15, конденсаторы 16 и 17, биполярный транзистор 18, включенный последовательно
в цепь первичной обмотки 19 импульсного трансформатора (блоки
трансформатора), вторичная обмотка 20 которого включена с положительной
обратной связью в его базовую цепь, с насыщающимся магнитопроводом 21. В эту
же цепь включена первичная обмотка 22 трансформатора блокировки импульсов с
насыщающимся сердечником 23 с зазором, вторичная обмотка 24 которого включена
в цепь блокировки импульсов. Положительная обратная связь на базу биполярного
транзистора 18 подается с обмотки 20 через цепь из параллельно включенных
прямого диода 25, обратного диода 26 и резистора 27. Резистор 28, включенный
между коллектором и базой биполярного транзистора 18, образует с резистором 27
делитель напряжения с коллектора на базу. Резистор 29 подсоединен к базе
биполярного транзистора 18 от конденсатора 30 блокировки импульсов. Диод 31
включен в обратном направлении с вторичной обмоткой 24 трансформатора
блокировки импульсов. Стабилитрон 32 включен параллельно первичной обмотке 22
трансформатора блокировки импульсов. Диоды 33.1. . . 33.4 образуют
выпрямительный мост, в диагональ которого включен транзисторный блокинг-
генератор и стабилитрон 34, зашунтированный конденсатором 17. Обмотка 35
дросселя с насыщающимся магнитопроводом 36 включена в последовательную
цепь с диодом 37, шунтирующую обмотки 19 и 20 импульсного трансформатора.
Резисторы 27 и 28 и эмиттер - базовый переход транзистора 18 выполняют роль
порогового элемента 2.
Возбудитель 4 импульсов зажигания для работы с транзисторным ключом (фиг. 3)
содержит двуполярный лавинный диод 15, комбинированный конденсатор в виде
конденсаторов 38 и 93, стабилитроны 40 и 41, магнитный ключ 42 в виде дросселя с
одной обмоткой, двухобмоточный трансформатор 43 и магнитные ключи 44 и 45 в
виде двухобмоточных дросселей с конденсаторами 46-48.
Ключ без использования полупроводниковых элементов (фиг. 4) содержит
повышающий трансформатор с первичной обмоткой 49, вторичной обмоткой 50 и
насыщающимся сердечником 51, магнитный ключ 52 в виде дросселя с одной
обмоткой, зашунтированной резистором 53, конденсаторы 54-56, магнитный ключ 57
в виде двухобмоточного дросселя, магнитный ключ 58 в виде дросселя с одной
обмоткой, трансформатор 59 с насыщающимся сердечником, магнитные ключи 60-
62 в виде двухобмоточных дросселей с конденсаторами 63-67.
Ключ и пороговый элемент, совмещенные в разряднике 68 (фиг. 5), содержат
конденсатор 69, резистор 70 и конденсатор 71.
Магнитные ключи 42, 44, 45, 57, 58, 60, 61 и 62 выполнены с насыщающимся
магнитопроводом. При этом количество магнитных ключей определяется
необходимостью получения на выходе возбудителя 4 импульсов высоковольтного
мощного импульса малой длительности. Построение магнитного ключа в виде
двухобмоточного дросселя с конденсатором позволяет подать на последующий
магнитный ключ напряжение обратного знака для предварительной установки
магнитной индукции магнитопровода следующего каскада, что дает практически
двойной диапазон изменения магнитной индукции и примерно двойное укорачивание
(сжатие, компрессию) длительности выходного импульса со следующего магнитного
ключа. Это подтверждается следующей формулой
t
Z
* Е
Ъ1+ П*Ъ2=2
На *3 /V ’
ДВ нас О С , (1) где f2 - длительность входного и выходного
импульсов соответственно:
- перепад индукции в сердечнике от нулевого состояния до насыщения, обычно
меньше Bs;
нас - магнитная проницаемость насыщенного магнитопровода;
Эс - энергия, запасаемая в конденсаторе;
V - объем магнитопровода.
Источник 1 питания дуги представляет собой источник напряжения с индуктивным
выходным сопротивлением, описываемый следующей системой уравнений
di. 1
3t=L(E-i/Y),
3Y 1
3t=r(ai2Y-1/2_Y)i (2)
i(0) = О, Y(0) = Yo Где j _ ток дуги; t - текущее время;
L - индуктивность дросселя 8, равная, например, 10"3 Гн;
Е - мгновенное напряжение, равное, например, 45 В;
Y
1 - проводимость дугового промежутка;
Yo - проводимость дугового промежутка после действия импульса возбуждения,
равное, например 0,0935 Сим;
т- постоянная времени дуги;
а - коэффициент = 0,003.
Для возбуждения сварочной дуги перед подачей импульса возбуждения от
возбудителя 4 импульсов зажигания закорачивают при помощи ключа 3 выход
источника 1 питания сварочной дуги. Это происходит после срабатывания
порогового элемента 2 при достижении напряжением источника 1 определенного
значения и поступления с выхода порогового элемента 2 импульса включения на
вход управления ключа 3. При этом напряжение на выходных шинах 9 и 10 равно 0,
а ток источника 1 возрастает от 0 до значения ”5,5 А (см. фиг. 6, вид по стрелке 72,
метки времени через 10 мкм). Полагая, что этот ток соответствует уровню
стабильного тока дуги, подают импульс возбуждения от возбудителя 4, вызывающий
в дуговом промежутке между выходными шинами 5 и 6, к которым подключены
электрод и деталь, проводимость = 0,0935 Сим. На фазовом портрете (фиг. 6) V
оизображена прямой линией 73. Ключ 3 размыкают, в результате чего точка в
фазовом пространстве движется по траектории 74 за время порядка 0,1 - 0,2 мкс. За
V т
это время ток не успевает измениться. Проводимость ’дугового промежутка при =
10 - 300 мкс также не изменяется. Поэтому напряжение - ток дуги - точка 75
устанавливается в течение десятых долей микросекунды.
Дальнейшее движение точки в фазовом пространстве описывается системой
уравнений (1), в которой имеется два инерционных объекта: дуга с постоянной
времени ти индуктивность L.
Фазовые траектории дальнейшего движения точки показаны для двух постоянных
времени дуги: 20 и 100 мкс - линии 76 и 77 соответственно. Они быстро выходят на
статическую характеристику дуги - линия 78. Для сравнения эффективности
предлагаемого способа возбудения на фиг. 6 даны фазовые траектории 79 и 80 для
дуги с Т1= 100 и Т2 = 20 мкс соответственно при известном способе возбуждения.
Можно видеть, что траектория 79 характеризует медленное возбуждение, а
траектория 80 - прерывание дуги.
Для выполнения устройства по фиг. 2 напряжение с выходных шин 9 и 10 источника
1 через выпрямительный мост на диодах 33.1-33.4 поступает на блокинг-генератор,
порог срабатывания которого определяется отношением резисторов 27 и 28 и
напряжением база-эмиттер транзистора 18. Длительность импульсов блокинг-
генератора определяется временем насыщения магнитопровода 21
трансформатора. Сердечник 23 трансформатора блокировки импульсов выполнен с
воздушным зазором для накопления энергии от тока блокинг-генератора, которая
при окончании импульса поступает через диод 31 в конденсатор 30 и через резистор
29 увеличивает порог элемента 2, запрещая генерацию второго импульса.
Стабилитрон 34 с конденсатором 17 служит для защиты трансформатора от
перенапряжений, а двуполярный лавинный диод 15 с конденсатором 16 - для
защиты выхода источника 1 питания. По окончании импульса блокинг-генератора ток
ключа 3, протекающий по первичной обмотке 11, прорывается, что вызывает
появление высоковольтного импульса во вторичной обмотке 12, поджигающего дугу.
Таким образом, прекращение короткого замыкания выхода источника 1 питания
автоматически синхронизировано с импульсом возбуждения.
На фиг. 7 а, б, в показаны напряжения на шинах 9 и 10 в различных масштабах
времени; на фиг. 7г - ток ключа 3.
Пример реализации предлагаемого устройства с конкретным выполнением
возбудителя 4 импульсов зажигания для случая работы с транзисторным ключом 3
изображен на фиг. 3.
При размыкании ключа 3 ток дросселя 8 пробивает лавинный диод 15 и заряжает
конденсаторы 38 и 39. Магнитный ключ 42 насыщается (срабатывает) и через
трансформатор 43 передает энергию конденсатору 46. Затем магнитные ключи 44 и
45 последовательно передают энергию в конденсаторы 47 и 48, укорачивая
длительность импульсов и увеличивая ток. Импульс с фронтом 0,05 мкс поступает
на первичную обмотку 11 возбудителя 4 и через вторичную обмотку 12 на разрядный
промежуток. Практически при токе транзистора 5 А ток магнитного ключа 45 равен
200 А.
В устройстве на фиг. 4 совмещены ключ 3 и пороговый элемент 2, роль которых
выполняет магнитный ключ 52 и конденсаторы 54 и 55. При достижении площади
фронта импульса напряжения порог срабатывания магнитный ключ 52 замыкается, в
первый момент времени для выхода источника 1 - это короткое замыкание. Затем на
конденсаторах 54 и 55 возрастает напряжение. Магнитный ключ 57 срабатывает и
аналогично возбудителю 4 по фиг. 3 формирует необходимый высоковольтный
укороченный импульс возбуждения на дуговой промежуток.
Большим преимуществом предлагаемого устройства по фиг. 4 является отсутствие
малонадежных полупроводниковых элементов.
Временные диаграммы устройства по фиг. 4 представлены на фиг. 8:
а) напряжение на шинах 9 и 10;
б) напряжение на выходе ключа 52;
в) ток ключа 52;
г) ток источника 1 питания дуги;
д) напряжение на дуговом промежутке;
ж) напряжение на входе ключа 61 без предустановки магнитной индукции
(однообмоточный дроссель);
з) то же, с предустановкой (виден эффект возрастания);
и) амплитуда напряжения на одном витке обмоток трансформатора возбудителя 4
импульсов с предустановкой и без.
На фиг. 5 пороговый элемент 2 и ключ 3 совмещены и выполнены на разряднике 68.
При работе при поступлении переднего фронта импульса напряжения через
конденсатор 71 разрядник 68 дает серию коротких замыканий через обмотку 49
трансформатора, а импульсы возбуждения, подаваемые на дуговой промежуток,
также способствуют короткому замыканию выхода источника 1 и росту тока через
дроссель 8.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют разработать
малогабаритные безопасные сварочные аппараты.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ возбуждения сварочной дуги, при котором на дуговой промежуток подают
напряжение от источника питания сварочной дуги и подают импульсы возбуждения,
отличающийся тем, что, с целью повышения надежности запуска при напряжениях
холостого хода источника питания сварочной дуги, близких к напряжению ее
горения, перед подачей импульса возбуждения закорачивают выход источника
питания сварочной дуги на время нарастания тока короткого замыкания до уровня
стабильного тока дуги.
2. Устройство для возбуждения сварочной дуги, содержащее возбудитель импульсов
зажигания и источник питания сварочной дуги, первая выходная шина которого
соединена с первой выходной шиной устройства, вторая выходная шина устройства
соединена с первым выходом возбудителя импульсов зажигания, а второй выход
возбудителя импульсов зажигания подключен к второй выходной шине источника
питания сварочной дуги, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности
запуска при напряжениях холостого хода источника питания сварочной дуги, близких
к напряжению ее горения, оно снабжено пороговым элементом и ключом, причем
силовые выводы ключа соединены с выходными шинами источника питания
сварочной дуги, к которым подключены входные выводы порогового элемента,
выход которого соединен с входом управления ключа
(pu&.Z
S/as +10jwS x50f*s
7^7 C 6
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ (19) RU (11) 2111378 (13) С1
(51) 6 F02P3/08
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Статус: по данным на 27ДО.2008 - прекратил действие
(21) Заявка: 96112009/06
(22) Дата подачи заявки: 1996.06.14
(45) Опубликовано: 1998.05.20
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: DE, заявка, 2623612, кл. F 02 Р 3/08, 1978.
(71) Заявитель(и): Калашников Юрий Дмитриевич
(72) Автор(ы): Буденный А.П.
(73) Патентообладатель(и): Калашников Юрий Дмитриевич; Буденный Анатолий Павлович
(54) УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЗАЖИГАНИЯ
Использование: системы зажигания двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: для
повышения скорости коммутации тока в первичной цепи повышающего трансформатора 1 выше предела,
ограниченного возможностями контактного или электронного ключа, устройство снабжено дросселем 4 с
насыщающимся магнитопроводом (магнитным ключом), коммутирующей емкостью 7 и включенной в цепь
ее заряда коммутирующей индуктивностью 8. При этом первичная обмотка 2 повышающего
трансформатора подключена к коммутирующей емкости через рабочую обмотку 9 магнитного ключа,
который выполнен с подмагничивающей обмоткой 10, обеспечивающей насыщение магнитопровода ключа
магнитным потоком, направление которого противоположно направлению потока, создаваемого рабочей
обмоткой. Устройство получения напряжения может быть выполнено по двухтактной схеме. Предусмотрен
вариант выполнения устройства, позволяющий стабилизировать количество энергии, выделяющейся в свече
зажигания. 3 с. и 12 з.п. ф-лы, 17 ил.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических системах
зажигания двигателей внутреннего сгорания.
Для зажигания рабочей смеси в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания используют электрические
импульсы напряжением около 30 кВ. Если принять, что суммарная емкость свечи зажигания и подводящего
провода составляет около 15 пф, то накопленная перед разрядом энергия будет равна примерно 6,7 мДж.
Однако, если учитывать активные сопротивления подводящего провода и гасящего резистора,
предназначенного для уменьшения радиопомех, энергия, необходимая для надежного воспламенения смеси,
должна быть больше примерно в три аза.
Высокое напряжение налагает жесткие требования на сопротивление утечки свечи зажигания, которое не
должно быть меньше 1 МОм. Если же трудно обеспечить такое большое сопротивление, то длительность
вырабатываемого импульса должна быть уменьшена до 10 мкс и меньше. Подвод энергии 20 - 40 мДж за
время 10 мкс требует импульсной мощности до 400 Вт. Источник питания и ключ должны обеспечивать
напряжение и ток, соответствующие этой мощности, причем ограничения на ток могут оказаться наиболее
труднопреодолимыми. Например, при напряжении питания 12 В требуется ток 1700 А, что
трудновыполнимо. Поэтому в системах зажигания обязательно используется предварительное накопление
энергии за сравнительно большое время, чтобы затем выдать ее в импульсе. Требования к коммутационной
мощности источника питания при этом снимаются, но требования к ключам остаются.
Классическая система зажигания содержит катушку зажигания, представляющую собой индуктивный
накопитель энергии, совмещенный с повышающим трансформатором. Импульс зажигания в такой системе
вырабатывается при прерывании тока через первичную обмотку катушки зажигания. Известны также
системы зажигания, содержащие индуктивный накопитель энергии, выполненный в виде отдельного
элемента, включенного в цепь первичной обмотки повышающего трансформатора. Однако системы с
накоплением энергии в индуктивности имеют невысокий КПД, а сами накопители имеют большие
мссогабаритные показатели.
Известны также системы зажигания с накоплением энергии в конденсаторе, который при искрообразовании
разряжается на первичную обмотку повышающего трансформатора через тиристорный или транзисторный
ключ. Однако такие системы зажигания не позволяют достигнуть скоростей коммутации, указанных выше.
Предел скорости коммутации в них ограничивается возможностями силового полупроводникового ключа.
Из уровня техники известна также система зажигания, в которой для увеличения скорости коммутации
применен насыщающийся дроссель (см. заявку ФРГ 2623612, F 02 Р 3/08, 1978). Насыщающийся дроссель
действительно может быть использован в качестве быстродействующего сильноточного ключа. Однако в
рассматриваемой системе зажигания дроссель включен последовательно с традиционным ключом
(контактным или электронным) и ограничение тока этого ключа не может быть преодолено, даже если
насыщающийся дроссель способен развить большой ток. Применение дросселя, запасающего энергию, как
это предлагается в известном изобретении, требует применения магнитного материала со сравнительно
малой магнитной проницаемостью или с диэлектрическим зазором. Это в принципе ограничивает область
изменения магнитной индукции от нуля до +Bs, в то время как целесообразно использовать магнитный
материал в диапазоне от -Bs до +Bs, что позволяет повысить скорость коммутации и снизить габариты
дросселя.
Кроме того, в известном изобретении основная часть энергии выделяется в индуктивной фазе разряда.
Существует мнение, что токи в индуктивной фазе разрушают контакты свечи и предпочтительнее заменить
энергию индуктивного разряда на последовательность (цуг)импульсов емкостного разряда. Сколько именно
разрядов должно быть в емкостной фазе и какова должна быть энергия разрядов, зависит от типа двигателя
и режима его работы. Возможность установить оптимальный режим зажигания в известном изобретении
ограничена.
Задачей настоящего изобретения является создание малогабаритного устройства получения напряжения для
электроискрового зажигания, обеспечивающего высокую скорость нарастания напряжения во вторичной
цепи и требуемую энергию емкостной и индуктивной фаз разряда, а также получение последовательности
поджигающих импульсов, обладающих необходимой энергией. Поставленная задача решается путем
повышения скорости коммутации тока в первичной цепи выше предела, ограниченного возможностями
контактного или электронного ключа.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве получения напряжения для электроискрового
зажигания, содержащем повышающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к схеме
формирования импульсов тока, снабженной дросселем с насыщающимся магнитопроводом (магнитным
ключом), и управляющий ключ, через который схема формирования соединена с источником питания, схема
формирования снабжена коммутирующей емкостью и включенной в цепь ее заряда коммутирующей
индуктивностью, при этом первичная обмотка повышающего трансформатора подключена к
коммутирующей емкости через рабочую обмотку магнитного ключа, который выполнен с
подмагничивающей обмоткой, обеспечивающей насыщение магнитопровода ключа магнитным потоком,
направление которого противоположно направлению потока, создаваемого рабочей обмоткой. При таком
включении насыщающийся дроссель, именуемый далее магнитном ключом, не служит для накопления
энергии, поэтому он может быть взят с максимальной магнитной проницаемостью и смещен перед началом
работы в -Bs. Это позволяет обеспечить перепад индукции в 2 Bs со всеми вытекающими преимуществами.
Наличие линейной коммутирующей индуктивности и коммутирующего конденсатора между магнитным и
электрическим управляющим ключами создает между ними развязку, так что магнитный ключ может
развивать любые возможные для него токи, которые не проходят через электрический ключ. Такое
включение позволяет получить и другие преимущества, которые будут видны при описании работы
устройства.
LC-цепь из последовательно соединенных коммутирующей индуктивности и коммутирующей емкости
может быть подключена к источнику питания через управляющий ключ, а повышающий трансформатор
выполнен с дополнительной подмагничивающей обмоткой, подключенной к источнику питания и
обеспечивающей насыщение магнитопровода повышающего трансформатора магнитным потоком,
направление которого противоположно направлению потока, создаваемого первичной обмоткой. Это
позволяет использовать для увеличения скорости нарастания тока в первичной обмотке магнитопровод
повышающего трансформатора. Подмагничивающие обмотки магнитного ключа и повышающего
трансформатора могут быть соединены последовательно, либо подмагничивающая обмотка повышающего
трансформатора может быть включена последовательно с коммутирующей индуктивностью в цепь заряда
коммутирующей емкости.
При невозможности выполнения повышающего трансформатора с подмагничивающей обмоткой, для
увеличения скорости коммутации и количества энергии, накапливаемой в коммутирующей емкости,
магнитный ключ снабжают трансформаторной обмоткой, а цепь из последовательно соединенных
управляющего ключа, коммутирующей индуктивности, трансформаторной обмотки магнитного ключа и
коммутирующей емкости включают между одним из полюсов источника питания и первым выводом
первичной обмотки повышающего трансформатора. Второй вывод первичной обмотки при этом соединяют
со вторым полюсом источника питания и, через рабочую обмотку дросселя, - с точкой соединения
коммутирующей индуктивности с трансформаторной обмоткой магнитного ключа. Устройство при этом
может быть снабжено дополнительным ускоряющим каскадом, состоящим из второй коммутирующей
емкости и второго магнитного ключа, при этом коммутирующие емкости соединены последовательно и
включены между трансформаторной обмоткой первого магнитного ключа и первым выводом первичной
обмотки повышающего трансформатора, второй вывод которой подключен к точке соединения емкостей
через второй магнитный ключ.
Параллельно коммутирующей емкости, соединенной с первичной обмоткой повышающего трансформатора,
может быть подключен обратный диод. При этом сразу за емкостной фазой разряда следует индуктивная,
т.е. имеет место только один импульс. Параллельно первичной обмотке повышающего трансформатора
подключают шунтирующий резистор, способствующий затуханию колебаний во время переходных
процессов, возникающих в схеме.
В соответствии с другим вариантом, устройство получения напряжения для электроискрового зажигания,
содержащее повышающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к схеме формирования
импульсов тока, снабженной магнитным ключом, и схему управления, через которую схема формирования
соединена с источником питания, отличается тем, что схема формирования снабжена коммутирующей
емкостью и двумя магнитосвязанными коммутирующими индуктивностями, магнитный ключ выполнен с
подмагничивающей обмоткой и двумя симметричными рабочими обмотками, обеспечивающими его
переход из одного насыщающего состояния в другое, а коммутационная схема выполнена в виде двух
управляющих ключей, причем к источнику питания подключены две параллельные цепи, каждая из которых
состоит из последовательно соединенных одной из рабочих обмоток магнитного ключа, коммутирующей
индуктивности и управляющего ключа, а коммутирующая емкость, рабочие обмотки магнитного ключа и
первичная обмотка повышающего трансформатора образуют замкнутый контур разряда коммутирующей
емкости, в цепь заряда которой включена одна коммутирующая индуктивность, а в цепь перезаряда - другая
коммутирующая индуктивность. Данный вариант предполагает выполнение устройства получения
напряжения по двухтактной схеме, что позволяет уменьшить мощность, расходуемую на подмагничивание
ключей. Первые выводы рабочих обмоток магнитного ключа могут быть соединены с общую точку, а
последовательно соединенные коммутирующий конденсатор и первичная обмотка повышающего
трансформатора включены между вторыми выводами рабочих обмоток магнитного ключа. Для более
эффективной работы устройство может быть снабжено дополнительным каскадом, состоящим из второй
коммутирующей емкости, включенной последовательно с первой, и второго магнитного ключа,
включенного между точкой соединения емкостей и выводом первичной обмотки повышающего
трансформатора. Так же как и в однотактной схеме, описанной выше, возможно выполнение повышающего
трансформатора с подмагничивающей обмоткой. Его первичная обмотка при этом может быть выполнена со
средней точкой, которая подключена к источнику питания, при этом крайние выводы первичной обмотки
подключены к параллельным цепям, состоящим из последовательно соединенных одной из рабочих обмоток
магнитного ключа, коммутирующей индуктивности и управляющего ключа, а подмагничивающие обмотки
магнитного ключа и повышающего трансформатора соединены последовательно и образуют замкнутый
контур.
Третий вариант устройства позволяет получать искру, энергия которой стабильна и не зависит от емкости
свечи зажигания и величины пробивного напряжения. Данный технический результат достигается тем, что
устройство получения напряжения для электроискрового зажигания, содержащее источник импульсов
напряжения, повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к свече зажигания, а
первичная обмотка соединена последовательно с магнитным ключом, снабжено накопительным и
вспомогательным конденсаторами, накопительный конденсатор подключен к источнику импульсов
напряжения, вторичная обмотка повышающего трансформатора включена между накопительным
конденсатором и свечой зажигания, а вспомогательный конденсатор и магнитный ключ включены в цепь
питания первичной обмотки повышающего трансформатора. Цепь из последовательно соединенных
вспомогательного конденсатора, первичной обмотки повышающего трансформатора и магнитного ключа
может быть подключена параллельно накопительному конденсатору. Возможно выполнение магнитного
ключа с трансформаторной обмоткой, включенной последовательно с накопительным конденсатором и
образующей с первичной обмоткой повышающего трансформатора и с вспомогательным конденсатором
замкнутый контур.
Таким образом, отличительные признаки каждого из описанных вариантов изобретения позволяют решить
поставленную задачу.
На чертежах представлены электрические схемы вариантов предлагаемого устройства получения
напряжения для электроискрового зажигания.
Фиг. 1 - электрическая схема одноимпульсного устройства, выполненного в соответствии си. 1-3 формулы
изобретения; фиг. 2 - диаграммы, поясняющие работы схемы, представленной на фиг. 1; на фиг. 3 - схема
многоимпульсного устройства, выполненного в соответствии с и. 1-3 формулы; фиг. 4 - диаграммы,
поясняющие работу схемы, представленной на фиг. 3; фиг. 5 - 8 - возможные варианты подключения
подмагничивающих обмоток магнитного ключа и повышающего трансформатора; фиг. 9 - диаграммы,
поясняющие работу схемы, изображенной на фиг. 5% фиг. 10 - схема устройства получения импульсов,
магнитный ключ которого снабжен дополнительной трансформаторной обмоткой (и. 5 формулы
изобретения); фиг. 11 - схема устройства с дополнительным ускоряющим каскадом (и. 6 формулы
изобретения); фиг. 12 - двухтактная схема устройства с дополнительным ускоряющим каскадом; фиг. 13 -
двухтактная схема устройства с повышающим трансформатором, имеющим подмагничивающую обмотку;
фиг. 14 -17 - примеры выполнения устройства, позволяющего стабилизировать энергию искры.
Устройство получения напряжения для электроискрового зажигания согласно варианту, представленному на
фиг. 1, содержит повышающий трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого подключена к схеме 3
формирования импульсов тока, снабженной дросселем 4 с насыщающимся магнитопроводом (магнитным
ключом), и управляющий ключ 5, через который схема 3 формирования соединена с источником питания 6.
Схема 3 формирования снабжена коммутирующей емкостью 7 и включенной в цепь ее заряда
коммутирующей индуктивностью 8, при этом первичная обмотка 2 повышающего трансформатора
подключена к коммутирующей емкости 7 через рабочую обмотку 9 магнитного ключа, который выполнен с
подмагничивающей обмоткой 10, обеспечивающей насыщение магнитопровода ключа магнитным потоком,
направление которого противоположно направлению потока, создаваемого рабочей обмоткой 9. Вторичная
обмотка 11 повышающего трансформатора 1 через контакт распределителя 12 подключена к свече
зажигания 13. С помощью конденсаторов 14 и 15 показаны паразитные емкости высоковольтных проводов и
свечи зажигания.
Повышающий трансформатор снабжен подмагничивающей обмоткой 15. Подмагничивающие обмотки 10 и
15 магнитного ключа и повышающего трансформатора соединены последовательно и подключены к
источнику питания 6 через резистор 16. Параллельно первичной обмотке 2 повышающего трансформатора
подключено шунтирующее сопротивление 17. Параллельно коммутирующей емкости 7 подключен
обратный диод 18.
Многоимпульсная схема, изображенная на фиг. 3, не содержит обратного диода 18, а транзисторный ключ 5
(для защиты от обратного напряжения) подключен к источнику питания 6 через диод 19. Обмотка
подмагничивания трансформатора 1 может представлять собой один виток, который включен в цепь заряда
коммутирующего конденсатора 7, как это показано на фиг. 5-8. Это эквивалентно включению приведенной
к данному витку емкости 20 последовательно с конденсатором 7. Как указано на фиг. 7, коммутирующая
емкость может быть разделена на два конденсатора 21 и 22, причем виток подмагничивания включен в цепь
заряда только одного из них.
На фиг. 10 представлена схема, согласно которой магнитный ключ 4 снабжен трансформаторной обмоткой
23, а цепь из последовательно соединенных управляющего ключа 5, коммутирующей индуктивности 8,
трансформаторной обмотки 23 магнитного ключа и коммутирующей емкости 7 включена между одним из
полюсом источника питания 6 и первым выводом первичной обмотки 2 повышающего трансформатора,
второй вывод которой соединен со вторым полюсом источника питания 6 и через рабочую обмотку 9
магнитного ключа подключен к точке соединения коммутирующей индуктивности 8 с трансформаторной
обмоткой 23. Данная схема, как это указано на фиг. 11, может быть снабжена дополнительным каскадом,
состоящим из второй коммутирующей емкости 24 и второго магнитного ключа 25, при этом
коммутирующие емкости 7 и 24 соединены последовательно и включены между трансформаторной
обмоткой 23 первого магнитного ключа 4 и первым выводом первичной обмотки 2 повышающего
трансформатора, второй вывод которой подключен к точке соединения емкостей 7 и 24 через второй
магнитный ключ 25. В состав схемы также входит шунтирующий резистор 26, подключенный параллельно
второму магнитному ключу 25, и шунтирующий резистор 27, включенный между точкой соединения
трансформаторной обмотки 23 с коммутирующей емкостью 7 и вторым выводом первичной обмотки 2
повышающего трансформатора.
В двухтактной схеме устройства, представленной на фиг. 12, съема формирования импульсов тока снабжена
коммутирующими емкостями 7 и 24, и двумя магнитосвязанными коммутирующими индуктивностями 8 и
28, магнитный ключ 4 выполнен с двумя симметричными рабочими обмотками 9 и 29, обеспечивающими
его переход из одного насыщенного состояния в другое, а коммутационная схема 30 выполнена в виде двух
управляющих ключей 31 и 32. Причем к источнику питания подключены две параллельные цепи, каждая из
которых состоит из последовательно соединенных одной из рабочих обмоток магнитного ключа,
коммутирующей индуктивности и управляющего ключа. Первые выводы рабочих обмоток 9 и 29 магнитно
ключа соединены в общую точку, а последовательно соединенные коммутирующие конденсаторы 7 и 24 и
первичная обмотка 2 повышающего трансформатора включены между вторыми выводами рабочих обмоток.
Таким образом, последовательно соединение коммутирующие емкости 7 и 24, рабочие обмотки 9 и 29
магнитного ключа и первичная обмотка 2 повышающего трансформатора образуют замкнутый контур.
Схема снабжена вторым магнитным ключом 25 и шунтирующими сопротивлениями 17 и 26, включенными
также как в схеме, представленной на фиг. 11, описанной выше. Подмагничивающая обмотка 10 магнитного
ключа в данной схеме подключена к источнику питания 6 через резистор 16.
Повышающий трансформатор 1 может быть выполнен с подмагничивающей обмоткой 15, а его первичная
обмотка 2 - выполнена со средней точкой, которая подключена к источнику питания, причем крайние
выводы первичной обмотки подключены к параллельным цепям, состоящим из последовательно
соединенных одной из рабочих обмоток 9 или 29 магнитного ключа, коммутирующей индуктивности 8 или
28 и управляющего ключа 31 или 32, а магнитный ключ снабжен дополнительной обмоткой смещения 33,
включенной последовательно с подмагничивающей обмоткой 15 повышающего трансформатора и
образующей с ней замкнутый контур (см. фиг. 13). Магнитный ключ может быть также снабжен
дополнительной подмагничивающей обмоткой 34, включенной противофазно обмотке 10. Ток через
обмотку 34 ограничивается с помощью сопротивления 35. В цепи питания обмоток 10 и 34 включены
коммутационные элементы 36 и 37.
Вариант устройства получения напряжения для электроискрового зажигания, представленный на фиг. 14 -
17, содержит источник импульсов напряжения (на фиг. не показан), повышающий трансформатор 1,
вторичная обмотка 11 которого подключена к свече зажигания 13, а первичная обмотка 2 - соединена
последовательно с магнитным ключом 4, накопительный конденсатор 38, вспомогательный конденсатор 39,
и шунтирующие сопротивления 40 и 41, одно из которых подключено параллельно вторичной обмотке
повышающего трансформатора, а второе - параллельно рабочей обмотке магнитного ключа 4.
Накопительный конденсатор 38 подключен к источнику импульсов напряжения, вторичная обмотка 11
повышающего трансформатора включена между накопительным конденсатором 38 и свечой зажигания 13, а
вспомогательный конденсатор 39 и магнитный ключ 4 включены в цепь питания первичной обмотки 2
повышающего трансформатора.
Цепь из последовательно соединенных вспомогательного конденсатора 39, первичной обмотки 2
повышающего трансформатора и магнитного ключа 4 может быть подключена параллельно накопительному
конденсатору 38, как это показано на фиг. 14 и 15. Магнитный ключ 4 может быть выполнен с
трансформаторной обмоткой 23, при этом рабочая обмотка 9 включена последовательно с накопительным
конденсатором 38, а трансформаторная - образует с первичной обмоткой 2 повышающего трансформатора и
с вспомогательным конденсатором 39 замкнутый контур (фиг. 16 и 17).
Шунтирующий резистор 41 при этом подключают параллельно трансформаторной обмотке 23.
Схемы, представленные на фиг. 14 - 17 могут быть использованы при размещении повышающего
трансформатора 1 непосредственно на свече зажигания 13, то есть для каждой свечи зажигания 13 должен
быть предусмотрен отдельный повышающий трансформатор.
Устройство получения напряжения для электроискрового зажигания работает следующим образом.
Перед началом работы трансформатор 1 и магнитный ключ 4 смещаются в состояние -Bs по отношению к
рабочему ходу, как это видно из схемы, приведенной на фиг. 1. То есть их магнитопроводы насыщаются до
индукции -Bs магнитным потоком, создаваемым обмотками подмагничивания 10 и 15.
При замыкании управляющего ключа 5 напряжение U1 становится равным напряжению Е источника
питания 6 и коммутирующий конденсатор 7 начинает заряжаться от источника питания 6 через
коммутирующую индуктивность 8. Ток 11 через коммутирующую индуктивность 8 нарастает по синусоиде
(фиг. 2в), достигает максимума и спадает до нуля. Напряжение U2, приложенное к рабочей обмотке 9
магнитного ключа, увеличивается по косинусоиде (фиг. 26). Индукция в магнитном ключе 4 нарастает от -
Bs через нуль к TBs в соответствии с вольтсекундной площадью графика изменения напряжения U2. Когда
U2dt достигнет величины 2В S W, где Sc - площадь магнитопровода, W - число витков рабочей обмотки,
магнитопровод ключа 4 насыщается и конденсатор 7 соединяется с первичной обмоткой 2 повышающего
трансформатора 12 через небольшую индуктивность рабочей обмотки 9. Конденсатор 7 образует с
первичной обмоткой 2 LC-контур, постоянная времени которого на порядок меньше, чем постоянная
времени контура, образованного конденсатором 7 и коммутирующей индуктивностью 8. В результате
напряжение U3 и ток через первичную обмотку 12 (фиг. 2г и 2д) нарастают значительно круче, чем
напряжение U2, что позволяет использовать трансформатор 1 меньшего размера и с меньшим числом
витков.
На фиг. 2 показан случай, когда магнитный ключ 4 еще не насыщен, в то время как ток II достиг нуля, а
напряжение U2 - достигло максимума. Если управляющий ключ 5 при этом закрывается, например, если он
выполнен на тиристоре, то напряжение U2 достигает 2Е, как это показано на фигуре 26. Такое соотношение
времен его понимания работы устройства, фактически же, ив, выгоднее уменьшать вольт-секундную
площадь ключа 4 так, его срабатывание происходило в момент равенства тока Пи даже несколько раньше,
несмотря на то, что при этом могут некоторые потери энергии. Обратим внимание, что в приведенном на 2
случае к управляющему ключу 5 прикладывается обратное напряжение, примерно равное -Е. Для защиты от
обратного напряжения предназначен диод 19 (см. фиг. 3).
Срабатывание магнитного ключа 4 приводит к передаче энергии из емкости 7 в емкость 20 (см. фиг. 3),
равную сумме емкостей 14 и 15. Если приведенная к первичной обмотке трансформатора емкость 20 равна
емкости конденсатора 7, то передача энергии оказывается полной (напряжение U3 достигает величины 2Е,
кривая изменения тока 12 представляет собой половину синусоиды, конденсатор 7 полностью разряжается, а
конденсатор 20 - заряжается до максимального напряжения. Если напряжение на свече 13 в этот момент
оказывается меньше пробивного напряжения, разряд не возникает, и оставшаяся энергия выделяется во
время колебательного процесса, возникающего при периодических срабатываниях магнитного ключа.
Сопротивление 17 при этом способствует затуханию процесса. Если же происходит разряд в свече, то вся
энергия выделяется в емкостной фазе разряда.
Более типичным является случай, когда разряд возникнет при меньшем напряжении. На фиг. 2ж, з, и
приведены диаграммы, иллюстрирующие такой случай. При падении напряжения U4, ток 12, уже достигший
максимума в синусоиде, снова начинает увеличиваться, и оставшаяся в конденсаторе 7 энергия переходит в
индуктивность насыщенного магнитного ключа 4 (фиг. 2з). Напряжение U2 падает с растущей скоростью и
в момент максимума тока 12 достигает нуля. Диод 18 не позволяет напряжению U2 стать существенно
меньшим нуля, разряд конденсатора 7 прекращается, и ток 12 насыщенного магнитного ключа 4 медленно
уменьшается, образуя индуктивную фазу разряда. Следует отметить, что напряжение U4 во время
индуктивной фазы не равно нулю. Пунктиром на фиг. 2 ж, з, и показаны кривые изменения напряжений и
тока в случае, если пробоя искрового промежутка свечи зажигания не произошло.
После окончания индуктивной фазы разряда следует фаза предсмещения (подмагничивания) магнитного
ключа 4 и повышающего трансформатора 1 и подготовка их к следующему циклу. Шунтирующее
сопротивление 17 способствует затуханию процессов предсмещения.
Таким образом, ток, протекающий через магнитный ключ 4 и, соответственно, через первичную обмотку 2
повышающего трансформатора, значительно больше, чем ток, протекающий через управляющий ключ 5.
Увеличение тока при уменьшении времени его протекания позволяет снизить требования к изоляции
высоковольтных цепей. Габариты магнитного ключа 4 уменьшаются за счет использования двойного
перепада индукции, а габариты повышающего трансформатора 4 уменьшаются как по той же причине, так и
в результате укорочения импульса на его выходе.
На фиг. 3 показан вариант источника получения напряжения, в соответствии с которым конденсатор 7 не
шунтирован диодом, вместе с тем обратный диод 19 включен последовательно с ключом 5, предохраняя его
от обратного напряжения. На фиг. 4 показаны временные диаграммы, поясняющие работу данной схемы.
Как видно из диаграммы, напряжение U2 на конденсаторе 7 становится отрицательным, после чего
происходит очередное срабатывание магнитного ключа 4 и в первичной и вторичной обмотках
трансформатора 2 возникают импульсы напряжения обратной полярности. На фиг. 4 показан случай, когда
последний разряд исчерпывает всю энергию, накопленную в конденсаторе 7, и процесс завершается. Если
напряжение на свече в этот момент оказывается меньше пробивного, разряд не возникает и оставшаяся
энергия выделяется при периодических срабатываниях магнитного ключа 4. Сопротивление 17 способствует
затуханию переходного процесса.
Увеличив энергию в конденсаторе 7 и установив приведенную к первичной обмотке емкость 20 меньше
емкости 7, можно добиться множества разрядов в течение одного цикла срабатывания управляющего ключа
5. Каждый раз в свечу зажигания будет передаваться энергия в виде емкостного разряда, индуктивная фаза
также имеет место, но только длительность ее мала и энергия незначительна. После переключения
магнитного ключа 4 ток его становится близким к нулю и разряд в свече прекращается. Новая подача
напряжения при новом срабатывании магнитного ключа 4 вызывает новый емкостной разряд.
Так как магнитный ключ укорачивает импульс, то при равных по амплитуде напряжениях U2 и U3
длительность фронта нарастания последнего будет меньше. Соответственно меньше будет вольт-секундная
площадь первичной обмотки трансформатора 1. Если площади магнито проводов равны, то соответственно
меньшим должно быть количество витков. Это приводит к необходимости снижения количества витков
обмотки подмагничивания 15 трансформатора 1 с соответствующим повышением тока подмагничивания.
Кроме того магнитопровод повышающего трансформатора 1 трудно выполнить замкнутым кольцевым без
воздушного зазора. Это резко увеличивает необходимый ток смещения.
На фиг. 5 показан вариант источника с предсмещением магнитопровода повышающего трансформатора 1
током II. Для этого ток заряда коммутирующего конденсатора 7 пропускают через обмотку
подмагничивания 15, представляющую собой, как правило, один виток.
На фиг. 9 показано напряжение U2 на конденсаторе 7, напряжение U3 на первичной обмотке
трансформатора 1 и индукция В в магнитопроводе трансформатора. Так как трансформатор 1 выполнен с
зазором (естественным), то перед началом работы индукция в нем естественно устанавливается вблизи
нулевого значения независимо от характеристики намагничивания магнитного материала. В начале цикла
заряда конденсатора 7 индукция В смещается от нулевого значения в отрицательное, не достигая индукции
насыщения (фиг. 9в). Затем при насыщении магнитного ключа 4 следует перемагничивание трансформатора
1 в пределах, меньших -Bs и +Bs. Так как конденсатор 7 в схеме на фигуре 5 не шунтирован диодом, то
возможны колебания с подачей нескольких импульсов (см. на фиг. 4). При этом виток смещения 15
оказывается включенным последовательно с первичной обмоткой 2 трансформатора и рабочей обмоткой 9
магнитного ключа и принимает участие в колебаниях. На фигуре 6 показан другой вариант источника, где
виток смещения в колебаниях не участвует. Оба варианта имеют свои преимущества в разных случаях.
Может оказаться так, что единственный виток смещения оказывается избыточным (например, при
укорочении импульса в десять раз вольт-секундная площадь на витке смещения должна быть равна 1/20 от
вольт-секундной площади первичной обмотки 2 трансформатора, которая, к примеру, имеет 12 витков,
следовательно, для предсмещения требуется 0,6 витка). В этом случае полезен вариант источника,
показанный на фиг. 7, где емкость 7 разделена на два конденсатора 21 и 22. Причем для подмагничивания
трансформатора 2 используется ток одного из конденсаторов, что позволяет получить нужное смещение при
единичном витке. На фиг. 8 показан вариант источника с предсмещением трансформатора 1, согласно
которому коммутирующий конденсатор 7 зашунтирован диодом. Как уже рассмотрено выше, при этом
после емкостной фазы разряда следует индуктивная фаза, то есть имеет место единственный импульс.
В случае, если повышающий трансформатор 1 не имеет подмагничивающей обмотки (например, он
представляет собой стандартное изделие) целесообразно использовать схему, представленную на фиг. 10,
11. В этом случае магнитный ключ 4 выполняет функцию трансформатора (или автотрансформатора).
Схема, представленная на фиг. 11, отличается тем, что она содержит дополнительный каскад повышения
крутизны нарастания тока в первичной обмотке 2 трансформатора, состоящий из второго коммутирующего
конденсатора 24 и второго магнитного ключа 25. Предварительно смещенный магнитный ключ 4
трансформирует ток заряда конденсатора 7 через резистор 26 и обмотку магнитного ключа 25. Так как
вольт-секундная площадь ключа 25 существенно меньше, чем ключа 4, то он вскоре насыщается и зарядный
ток конденсатора 7 проходит через обмотку насыщенного магнитного ключа. Затем насыщается магнитный
ключ 4 и закорачивает заряженный конденсатор 7 на землю, создавая импульс отрицательной полярности.
Магнитный ключ 25 выходит из состояния насыщения с индукцией TBs и переходит к состоянию
насыщения с индукцией -Bs. Происходит зарядка следующего коммутирующего конденсатора 24 до
отрицательного напряжения через сопротивление 17 и первичную обмотку 2. Затем насыщается магнитный
ключ 25, и импульс положительной полярности поступает на первичную обмотку 2 трансформатора 1.
Этот вариант имеет определенные преимущества, так как магнитные ключи могут одновременно
трансформировать напряжение. То есть напряжение на конденсаторе 7 может быть больше величины 2Е.
Прохождение тока заряда коммутирующего конденсатора через последующий магнитный ключ создает
достаточное смещение для его подготовки, даже если его магнитопровод выполнен из материала с
небольшой магнитной проницаемостью или с неизбежным магнитным зазором, как например у
повышающего трансформатора. Но, так как второй ключ 25 насыщается не мгновенно, несколько
ухудшается работа ключа 4 и имеет место заряд второго конденсатора 24 с одновременным недозарядом
первого конденсатора 7. Кроме того, в схеме возникают затухающие переходные процессы, во время
которых некоторая энергия рассеивается в шунтирующих резисторах 17, 26 и 27. Если емкости
конденсаторов 7 и 24 выбраны равными, то энергия, поступившая в конденсатор 7, полностью передается в
конденсатор 24 и далее - в емкость 20.
Конденсатор 24 может быть зашунтирован обратным диодом 18, в результате чего после пробоя искрового
промежутка свечи вся оставшаяся энергия переходит в индуктивность насыщенного магнитного ключа 25 и
следует индуктивная фаза разряда. Естественно, что два магнитных ключа могут существенно укоротить
импульс, увеличивая соответственно его ток, и длительность индуктивной фазы будет меньшей, чем в ранее
рассмотренных случаях, а токи диода 18 (импульсные) могут достигать сотен ампер.
Рассмотрение выше схемы с магнитными ключами-трансформаторами позволяют гибко менять напряжения
и длительности фронтов их нарастания, а именно - получать столь короткие длительности, что выходная
обмотка повышающего трансформатора на 30 кВ может содержать всего несколько сот или даже десятков
витков, то есть трансформатор оказывается дешевым и надежным.
Все рассмотрение одноактные (в смысле работы магнитного ключа 4) схемы после окончания импульса (или
серии импульсов) должны быть предсмещены для нового цикла. Время предсмещения зависит от мощности,
расходуемой на смещение. Можно полагать, что время, необходимое для предсмещения магнитного ключа,
прямо пропорционально времени его работы и обратно пропорционально отношению энергии смещения к
рабочей энергии. Например, при времени работы 50 мкс, рабочей энергии 20 мДж и энергии смещения 2
мДж, время предсмещения будет составлять 500 мкс. Уменьшение этого времени требует увеличения
мощности, расходуемой на подмагничивание. Однако уже после окончания рабочего хода магнитные ключи
находящится в насыщенном состоянии и готовы к немедленному повторению рабочего хода, но для
напряжения другой полярности.
На фиг. 12 показан вариант источника, выполненного по двухтактной схеме, содержащей два электронных
управляющих ключа 31 и 32. Аналогично однотактной схеме, приведенной на фиг. 11, первичная обмотка 2
повышающего трансформатора 1 подключена к дополнительному коммутирующему конденсатору 24 через
второй магнитный ключ 25. Коммутирующая индуктивность и основной магнитный ключ 4 выполнены с
двумя обмотками (8, 28 и 9, 29), включенными противофазно. Подмагничивание ключа 4 осуществляется
через резистор 16, так же, как и в рассмотренных выше схемах. Работа схемы начинается при замыкании
левого управляющего ключа 31. Коммутирующий конденсатор 7 заряжается по цепи: обмотка 29 ключа 4,
параллельно соединенные резистор 26 и магнитный ключ 25, коммутирующая индуктивность 8. Далее так
же, как и в схеме, приведенной на фиг. 11, осуществляется передача энергии из конденсатора 7 в
конденсатор 24, который с вою очередь разряжается на первичную обмотку 2 повышающего
трансформатора. После окончания цикла управляющий ключ 31 закрывается, а управляющий ключ 32
открывается и конденсатор 7 перезаряжается через обмотку 9 магнитного ключа 4 и коммутирующую
индуктивность 28. Осуществлять предсмещение ключа 4 при этом не требуется, так как полярность
прикладываемого к нему напряжения изменяется.
Проблема предсмещения магнитных ключей и трансформатора достаточна сложна. Можно использовать
естественную установку индукции в нулевое состояние, если в магнитопроводе имеется зазор. Но в этом
случае может быть использована только половина возможного перепада индукции. Предсмещение может
быть достаточно эффективно осуществлено током заряда предшествующего конденсатора (см. описание
работы схемы, представленной на фиг. 11). Однако в этом случае в схеме возникает колебательный процесс,
сопровождающийся беспорядочной коммутаций ключей и потерей энергии, выделяющейся на
шунтирующих сопротивлениях. Схемы с предсмещением током заряда коммутирующего конденсатора
(фиг. 5-8) достаточно эффективны при стабильных емкостях. Емкость коммутирующего конденсатора
является стабильной, однако емкость 20 - это паразитная емкость проводов, поэтому она может иметь
значительные отклонения. В этом случае величина предсмещения также имеет отклонения.
На фиг. 13 показан вариант источника, выполненного по двухтактной схеме, в котором влияние отклонений
емкости 20 значительно снижено. Смещение повышающего трансформатора 2 создается напряжением,
снимаемым с дополнительной обмотки смещения 33 магнитного ключа 4. Сопротивление провода
выбирается таким, чтобы RC-цепь, образованная им с приведенной емкостью 20, имела постоянную
времени, меньшую времени ожидания срабатывания магнитного ключа 4. Это обеспечивает стабильность
вольт-секундной площади на обмотке смещения ключа 4. Однако постоянная времени должна быть не
настолько мала, чтобы вносить заметные потери при последующей коммутации ключа. В схеме также
применены две противофазных обмотки 10 и 34 подмагничивания ключа 4. Эти обмотки коммутируются
элементами 36 и 37 так, что двухтактная схема оказывается в любой момент предсмещенной для
срабатывания любого из управляющих ключей 31 и 32. То есть серия может содержать любое число
импульсов, в том числе и нечетное, в этом случае следующая серия начинается с работы правого по схеме
управляющего ключа 32.
Как уже отмечалось выше, энергия разряда накапливается в паразитной емкости свечи зажигания.
Теоретические расчеты показывают, что 90% накопленной энергии выделяется в разряде за время, равное
примерно 2,5 нс при фронтах в доли наносекунды. Перепад напряжения в 30 кВ за доли наносекунды
создает мощные радиопомехи. Для их устранения применяют подводящие проводники с высоким
сопротивлением, вследствие чего КПД системы ограничивается на уровне не более 30%. На самом деле
КПД оказывается еще ниже, если принять во внимание следующее.
Устройство для получения импульсов зажигания должно гарантировать их амплитуду (например 30 кВ) с
учетом запаса на отклонения различных параметров. Однако в действительности пробой может возникнуть
при значительно меньшей величине вторичного напряжения. Можно предположить, что при определенных
условиях (температуре, частоте вращения двигателя, состоянии разрядного промежутка свечи и т.д.)
пробивное напряжение будет равно всего 12 кВ. Это соответствует энергии 1,08 мДж при энергии
генерируемого импульса 40 мДж, т. е. КПД оказывается равным всего 2,5%. С этой точки зрения
представляется полезной система, в которой энергия искры может быть стабильной несмотря на разброс
упомянутых выше параметров (см. схемы, представленные на фиг. 14 - 17). Показанные части устройства
должны быть расположены в непосредственной близости от свечи зажигания.
Магнитопроводы магнитного ключа 4 и повышающего трансформатора 1 выполнены с диэлектрическим
зазором или из магнитного материала с линейной характеристикой на среднем участке. Шунтирующие
сопротивления способствуют установке индукции вблизи нуля перед подачей импульса. Емкость и
напряжение заряда накопительного конденсатора 38 выбраны с учетом необходимого для искрообразования
количества энергии, причем напряжение, до которого заряжается конденсатор 38, существенно меньше
необходимого пробивного напряжения (примерно 2-5 кВ). Импульс напряжения такой величины подается
на конденсаторы 38 и 39. Когда магнитный ключ 4 насыщается, импульс пробивного напряжения (примерно
30 кВ) генерируется во вторичной обмотке 11 повышающего трансформатора и разрядный промежуток
свечи зажигания 13 пробивается. Затем магнитопровод трансформатора 1 насыщается и энергия из
конденсатора 38 передается в проводящий разрядный промежуток свечи. Схемы, представленные на фиг.
14, 15, отличаются знаком высоковольтного импульса по отношению к низковольтному. Каждая из них
имеет определенные преимущества. При обратном знаке импульса пробивного напряжения разряд
накопительного конденсатора следует непосредственно за зарядным импульсом, а при одинаковых знаках -
между ними образуется временной интервал в десятые доли микросекунды. Токи и напряжения в
соединительном кабеле, показанном пунктиром, находятся в микросекундном интервале времени, а
следовательно, радиопомехи невелики.
На фиг. 16 и 17 показан вариант источника, согласно которому магнитный ключ 4 включен по
трансформаторной схеме. Трансформируемый зарядный ток конденсатора 39 проходит через первичную
обмотку 2 повышающего трансформатора и осуществляет его предсмещение в состояние с индукцией -В.
Это позволяет использовать в трансформаторе 1 двойной перепад индукции. В самом же магнитном ключе 4
двойного перепада индукции нет, и для его предустановки требуется магнитопровод с диэлектрическим
зазором. Схемы, приведенные на фиг. 16 и 17, также отличаются полярностью импульса заряда по
отношению к поджигающему импульсу. Для заряда накопительного конденсатора в схемах, представленных
на фиг. 14 - 17, могут быть использованы описанные выше источники импульсов, например схема,
представленная на фиг. 13.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство получения напряжения для электроискрового зажигания, содержащее повышающий
трансформатор, первичная обмотка которого подключена к схеме формирования импульсов тока,
снабженной дросселем с насыщающимся магнитопроводом (магнитным ключом), и управляющий ключ,
через который схема формирования соединена с источником питания, отличающееся тем, что схема
формирования снабжена коммутирующей емкостью и включенной в цепь ее заряда коммутирующей
индуктивностью, при этом первичная обмотка повышающего трансформатора подключена к
коммутирующей емкости через рабочую обмотку магнитного ключа, который выполнен с
подмагничивающей обмоткой, обеспечивающей насыщение магнитопровода ключа магнитным потоком,
направление которого противоположно направлению потока, создаваемого рабочей обмоткой.
2. Устройство по и. 1, отличающееся тем, что LC-цепь из последовательно соединенных коммутирующей
индуктивности и коммутирующей емкости подключена к источнику питания через управляющий ключ, а
повышающий трансформатор выполнен с дополнительной подмагничивающей обмоткой, подключенной к
источнику питания и обеспечивающей насыщение магнитопровода повышающего трансформатора
магнитным потоком, направление которого противоположно направлению потока, создаваемого первичной
обмоткой.
3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что подмагничивающие обмотки магнитного ключа и
повышающего трансформатора соединены последовательно.
4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что подмагничивающая обмотка повышающего трансформатора
включена последовательно с коммутирующей индуктивностью в цепь заряда коммутирующей емкости.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что магнитный ключ снабжен трансформаторной обмоткой, а цепь
из последовательно соединенных управляющего ключа, коммутирующей индуктивности,
трансформаторной обмотки магнитного ключа и коммутирующей емкости включена между одним из
полюсов источника питания и первым выводом первичной обмотки повышающего трансформатора, второй
вывод которой соединен с вторым полюсом источника питания и через рабочую обмотку магнитного ключа
подключен к точке соединения коммутирующей индуктивности с трансформаторной обмоткой магнитного
ключа.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным каскадом, состоящим из второй
коммутирующей емкости и второго магнитного ключа, при этом коммутирующие емкости соединены
последовательно и включены между трансформаторной обмоткой первого магнитного ключа и первым
выводом первичной обмотки повышающего трансформатора, второй вывод которой подключен к точке
соединения емкостей через второй магнитный ключ.
7. Устройство по пи. 1 - 6, отличающееся тем, что параллельно коммутирующей емкости, соединенной с
первичной обмоткой повышающего трансформатора, подключен обратный диод.
8. Устройство по пи. 1 - 7, отличающееся тем, что параллельно первичной обмотке повышающего
трансформатора подключен шунтирующий резистор.
9. Устройство получения напряжения для электроискрового зажигания, содержащее повышающий
трансформатор, первичная обмотка которого подключена к схеме формирования импульсов тока,
снабженной магнитным ключом, и схему управления, через которую схема формирования соединена с
источником питания, отличающееся тем, что схема формирования снабжена коммутирующей емкостью и
двумя магнитосвязанными коммутирующими индуктивностями, магнитный ключ выполнен с
подмагничивающей обмоткой и двумя симметричными рабочими обмотками, обеспечивающими его
переход из одного насыщенного состояния в другое, а коммутационная схема выполнена в виде двух
управляющих ключей, причем к источнику питания подключены две параллельные цепи, каждая из которых
состоит из последовательно соединенных одной из рабочей обмоток магнитного ключа, коммутирующей
индуктивности и управляющего ключа, а коммутирующая емкость, рабочие обмотки магнитного ключа и
первичная обмотка повышающего трансформатора образуют замкнутый контур разряда коммутирующей
емкости, в цепь заряда которой включена одна коммутирующая индуктивность, а в цепь перезаряда - другая
коммутирующая индуктивность.
10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что первые выводы рабочих обмоток магнитного ключа
соединены в общую точку, а последовательно соединенные коммутирующий конденсатор и первичная
обмотка повышающего трансформатора включены между вторыми выводами рабочих обмоток магнитного
ключа.
11. Устройство по и. 10, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным каскадом, состоящим из
второй коммутирующей емкости, включенной последовательно с первой, и второго магнитного ключа,
включенного между точкой соединения емкостей и выводом первичной обмотки повышающего
трансформатора.
12. Устройство по и. 10, отличающееся тем, что повышающий трансформатор выполнен с
подмагничивающей обмоткой, а его первичная обмотка выполнена со средней точкой, которая подключена
к источнику питания, причем крайние выводы первичной обмотки подключены к параллельным цепям,
состоящим из последовательно соединенных одной из рабочих обмоток магнитного ключа, коммутирующей
индуктивности и управляющего ключа, а магнитный ключ снабжен дополнительной обмоткой смещения,
которая соединена последовательно с подмагничивающей обмоткой повышающего трансформатора и
образует с ней замкнутый контур.
13. Устройство получения напряжения для электроискрового зажигания, содержащее источник импульсов
напряжения, повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к свече зажигания, а
первичная обмотка соединена последовательно с магнитным ключом, отличающееся тем, что оно снабжено
накопительным и вспомогательным конденсаторами, накопительный конденсатор подключен к источнику
импульсов напряжения, вторичная обмотка повышающего трансформатора включена между накопительным
конденсатором и свечой зажигания, а вспомогательный конденсатор и магнитный ключ включены в цепь
питания первичной обмотки повышающего трансформатора.
14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что цепь из последовательно соединенных вспомогательного
конденсатора, первичной обмотки повышающего трансформатора и магнитного ключа подключена
параллельно накопительному конденсатору.
15. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что магнитный ключ выполнен с трансформаторной обмоткой,
которая образует с первичной обмоткой повышающего трансформатора и с вспомогательным
конденсатором замкнутый контур, при этом рабочая обмотка магнитного ключа включена последовательно
с накопительным конденсатором.
ИЗВЕЩЕНИЯ К ПАТЕНТУ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ
Код изменения правового статуса
ММ4А - Досрочное прекращение действия патентов РФ из-за неуплаты в установленный срок пошлин за
поддержание патента в силе
Извещение опубликовано 2003.12.27
Номер бюллетеня 36/2003
Дата прекращения действия патента 2002.06.14
Фиг.З
Фи г. 4
иг 9 .t/з
Фиг. 5
Фиг б
Фиг. 7
Фиг. 9
Фи г. fl
Фиг.!'5
Фиг.17
Более детальная
информация в книге
«Магнитные генераторы
импульсов»
Л.А. Меерович и др.
«Сов. радио»
Скачать можно на
http://valvolodin.narod.ru/