Патент на изобретение №2155120

(54) СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

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.

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. B 23 K 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. B 23 K 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 n магнитных ключей, включающем установку магнитопровода i-го ключа в исходное состояние намагничивания, согласно изобретению для срабатывания i-го магнитного ключа подают ток смещения от (i-2)-го магнитного ключа и ток помехозащиты от (i-3)-го 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-го магнитного ключа подают импульс тока ранее поступления помехи от (i-3)-го 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 телo 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 1х1х1 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 “e” 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
i_д = i – i_ком + i_пом
i_пом = (U_пом – U_уз)/R_пом
u_д = U_д/2 + i_д/Y

где U_д – установившееся напряжение на дуге при “средних” токах, например U_д = 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 = 60010^-6 Гн, L_ком = 7010^-6 Гн, L_ДИ = 510^-6 Гн, C_ком = 14010^-6 Ф, C_пом = 2,010^-6 Ф, R_пом = 10 Ом, e = 50 В.

Начальные условия i_д (0)= 30 А, Y (0)= 0,10 См, i(0)= 7 А, i_ком (0)=7 A, u_ком (0)=60 В, u_пом (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 L_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 L_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 L_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 L_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 u₀(t) близко к нулю, когда начинается выход трансформатора из насыщения. Напряжение u₁(t) на первичной обмотке трансформатора к этому моменту близко к нулю. Ток магнитного ключа также нулевой. Напряжение u₀(t) приложено к рабочей обмотке 33 магнитного ключа, и происходит движение индукции в его магнитопроводе от -B_s до +B_s. 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 u₀(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 u₀(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 u₀(t) отстает от напряжения u₂(t) на разряднике (или же напряжение на разряднике его опережает), разряд происходит в момент, когда напряжение u₀(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 r = 3 Ом, и ток i_ком(t) ключа (приведенный ко вторичной цепи) при r = 0 и при r = 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 i_ком 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 используeтся несколько разрядников, включенных параллельно.

В принципе нужное укорочение импульсов может быть получено и с помощью магнитных ключей (К_м), но теория К_м все еще недостаточна для их практического использования в возбудителях. Поэтому приведем полученные результаты. На фиг. 11а показаны два типа магнитных ключей К_м – “П”-типа или К_м типа “А”, и К_м “Т”-типа или К_м типа “Б” в общепринятой терминологии. Так, как они изображены на фиг. 11a, 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 К_м. Напомним, что при нулевой напряженности H (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 К_м 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 К_м 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 К_м можно понять на примере цепочки К_м типа “А” на фиг. 11б. Пусть вначале все магнитопроводы смещены в положение -B_m внешним источником. На первый слева конденсатор подается ступенька напряжения. Первый слева К_м движется от -B_s к +B_s. 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 К_м оказывается включенной последовательно в цепь с первым и вторым конденсаторами, причем в этот момент напряжение u₁ на первом конденсаторе максимально, а u₂ на втором конденсаторе равно нулю. В цепи проходит ток в виде половины синусоиды, напряжение u₁ падает до нуля, напряжение u₂ растет до максимального, ток “норовит стать” отрицательным, но это означает, что к первому К_м приложено обратное напряжение, которое он может удерживать в меру своей вольтсекундной площади. На фиг. 11в можно видеть, что появляется напряжение и на втором К_м, далее происходит такой же процесс, каждый К_м укорачивает длительность импульса, оставляя амплитуду напряжения, и, следовательно, увеличивая ток.

На фиг. 11г показана цепочка К_м типа “Б”. При поступлении напряжения u₁ через конденсатор предшествующего К_м происходит трансформация тока в конденсатор C₁, причем ток через К_м 2 насыщает его и поддерживает в насыщенном состоянии все время зарядного тока C₁. В это время К_м 1 работает трансформатором, индукция движется от -B_s до +B_s. При достижении насыщения происходит превращение К_м 1 в малую индуктивность, заряженный C₁ перезаряжается обратным током до обратного напряжения, то есть имеет место двойной перепад амплитуды напряжения. При этом К_м 2 выходит из насыщения, конденсаторы C₁ и C₂ оказываются включенными последовательно, на C₂ оказывается половина двойного перепада напряжения, то есть одинарный перепад обратного знака. (Для лучшего представления работы К_м 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 К_м типа “Б” позволяeт изменить полярность и производить трансформацию, то есть переходить от сравнительно низких напряжений до высоких, что будет использовано в дальнейшем.

Обратим внимание, что напряжение u₁ на К_м 1 представляет ряд косинусоид с уменьшающимися полупериодами от срабатывания каждого последующего К_м с переменой знака напряжения (можно показать, что отличие коэффициентов трансформации в цепи К_м от единицы не меняет напряжение u₁). Заметим, что напряжение на выходе К_м типа “А” знак не меняет, и “дриблинга” там нет. Это важно для возбуждения дуги, как будет показано далее.

Считается, что в конце цепочки К_м имеется нагрузка в виде резистора или искрового промежутка, где и поглощается энергия импульса. В этом случае в цепочке К_м типа “А” все конденсаторы оказываются разряжены, а все магнитопроводы находятся в состоянии +B_s. В цепочке К_м типа “Б” последний импульс “дриблинга” имеет нулевое напряжение. Далее следует новый полупериод напряжения сети с установкой смещения.

Однако может быть, что в конце цепочки К_м нет нагрузки (не было искры), или имеется К3 или XX. В этом случае имеет место отражение импульса влево по схеме, причем имеют место разные варианты. Например, в цепочке К_м типа “А” (фиг. 11б) последний К_м 4 устраивает “дриблинг” между последним конденсатором C₄, у К_м 3 слева находится нулевое напряжение, справа перемежающиеся нуль и полная положительная амплитуда, пока это положительное напряжение по площади не превысит вольтсекундную площадь К_м 3, который срабатывает (причем все замечания относительно “аттрактора” имеют действие), импульс распространяется налево.

Проще проходит процесс в цепочке К_м типа “А”, если на выходе К3. В этом случае положительное напряжение на последнем конденсаторе “переворачивается”, то есть становится отрицательным, и вся цепочка К_м типа “А”, находящихся в состоянии +B_s, передает этот импульс налево, причем времена соответствуют не времени выдержки К_м, а времени их переключения. Это выражается в том, что при осциллографировании тока, например К_м 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 К3, то справа налево распространяется импульс обратной полярности, то есть имеет место двукратный ток К_м. Если же на выходе XX, то вначале возникает проблема, как конденсатор зарядится при XX. Если для этого приняты меры, то затем при срабатывании последнего К_м процесс как бы заканчивается, и импульс назад вообще не распространяется.

Смещения тока для правильной работы К_м 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 К_м 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 К_м.

Этап “1” – переключение. Насыщенный К_м 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 К_м типа “Б” имеется в виду “приведенная емкость”).

Этап “2” – интегрирование или выдержка. Для К_м типа “Б” его можно назвать “заряд” или “трансформация”. Если К_м типа “Б” имеет равные согласно включенные обмотки или если это К_м типа “А”, то они ведут себя как дроссель, ток которого – есть ток намагничивания в соответствии с его кривой намагничивания. Если же К_м – есть типа “Б” с разделенными обмотками, то в них текут трансформированные токи в противоположных направлениях. На этом этапе индукция идет от -B_s до +B_s, затем – этап “1”.

Этап “3” имеет место только для К_м типа “Б”. Его можно назвать “предустановка” или “смещение”. На этом этапе конденсатор предшествующего К_м заряжается через данный К_м током переключения предшествующего К_м. Это благоприятно для данного К_м, так как этот ток смещает его в состояние готовности к этапу 2, то есть в -B_s. У К_м типа “А” этот этап отсутствует, поэтому необходимо принимать меры для нужного смещения.

Этап “4” может быть назван этапом “помехочувствительности”. Пусть имеется цепочка К_м типа “Б” с единичными коэффициентами трансформации. Тогда конденсаторы соединены последовательно и в них имеет место “дриблинг” с уменьшающимися периодами. Если ток данного К_м 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 К_м 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 К_м в разных непредусмотренных направлениях, система связанных К_м превращается в типичный
“аттрактор” с непредсказуемым поведением. Поэтому должны быть организованы токи смещения с минимальной возможной скоростью нарастания. Приведем числовой пример для типичной цепочки К_м. Пусть три последних К_м ферритовые, имеют укорочения по пять раз, предыдущие – стальные с укорочением “10” и “20”. Ток последнего К_м есть 200 А при 7000 В за время 23 нс, напряженность 35000 А/м. (Полезно сравнить параметры К_м 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 К_м заводится ток смещения от предпредшествующего К_м, который готовит его к этапу “2” (интегрирования), и от предпредпредшествующего К_м заводится ток помехозащиты с соответствующей полярностью, готовящий его к этапу “3” (смещения) и предохраняющий его на этапе “4” (помехочувствительности). Это показано на фиг. 11б для цепочки К_м типа “А”, на фиг. 11г для цепочки К_м типа “Б” и на фиг. 11е для цепочки К_м типов “Б”, “Б”, “А”, “Б”. В случае если предшествующий К_м 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 К_м в цепочке, имеющий выход на выходные клеммы сварочного аппарата и на сварочные кабели, имеет особый режим работы. Если это К_м 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 К_{м зар} (зарядный ключ) с соответствующим смещением. Более подробно это будет описано на примере конкретного выполнения возбудителя.

Согласно предложенному способу на цепочку R_пом C_пом должно быть подано помогающее напряжение с помощью помогающего ключа. В возбудителе на К_м с этой целью предлагается использовать напряжение на одном из К_м 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 К_м типа “Б” может быть сделана дополнительная обмотка помогающего напряжения. Как указано выше, на К_м типа “Б” после окончания этапа “1” (“переключение”) наступает знакопеременный “дриблинг” (фиг. 11д), заканчивающийся нулевым напряжением в случае полного ухода энергии цепочки К_м в нагрузку. Тогда на помогающем конденсаторе остается помогающее напряжение, до которого он зарядился на этапе “2” его К_м. Оно будет способствовать возбуждению.

На фиг. 11е показан вариант получения помогающего напряжения с К_м типа “А” с временами этапов “1” и “2”, как указано выше. Определенным преимуществом в этом случае является отсутствие “дриблинга” на К_м типа “А”.

Как видно из описания работы К_м типа “А” или К_м типа “Б” с равными обмотками, включенными согласно (дроссель), существенный ток протекает только на этапе “1”. Это позволяет зарядить C и сохранять заряд на нем до окончания всех процессов в К_м вплоть до начала нового цикла. На фиг. 11и показано соединение помогающего конденсатора с одним заземленным концом (что нужно для правильной работы помогающей цепи), включенным в последовательную цепь с К_м типа “А” и его нагрузкой – К_м типа “Б”. У К_м типа “А” на этапе “2” отсутствует ток заряда, поэтому через него будет проходить только ток заряда предшествующего К_м 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 К_м типа “Б” дроссельного типа. Часто такой вариант оказывается удобным из-за нужной полярности импульсов на К_м. Время срабатывания К_м 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 К_м являются знакопеременными и, следовательно, проходят через нулевое значение. Но при нулевом значении токов существенным становится форма петли гистерезиса, так как феррит “сползает” к -B. 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 К_м без разрядника. Возбудитель предназначен для работы с насыщающимся силовым трансформатором, имеющим значительный ток XX и достаточно крутой фронт выхода из насыщения. Первые три К_м выполнены из стали и имеют синхронизирующий ток смещения, как и возбудитель на фиг. 8, но вместо высоковольтного трансформатора импульса возбуждения включен К_м 3 типа “А”.

Параметры его выбираются такими, что он насыщается на уровне, соответствующем уровню срабатывания разрядника на фиг. 7 (см. осциллограммы).

Ток i₁ 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 К_м 2). Время этого тока составляет 700 мкс для данного примера, время срабатывания цепочки К_м 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 L_ф с последовательными обмотками смещения на всех К_м, начиная с К_м 3, и также К_{м зар}, а в другой резистор 78 фильтра R_ф, так что постоянная времени L_ф/R_ф соизмерима с длительностью тока i₁. Тогда ток в индуктивности 72 к моменту возбуждения будет близок к току i₁, а затем он сохранится на время срабатывания остальных К_м и возбуждения дуги. RC-цепь из резистора 17 и конденсатора 19 включена на вход К_м 3, как это описано ранее. Приведены также полярности импульсов на входах К_м.

При срабатывании К_м на витках смещения возникают импульсы, каждый раз увеличивающие ток смещения последующих К_м. Можно видеть, что на К_м 6 напряжение на витках смещения составляет половину от полного напряжения К_м, то есть 4 кB и более. Это неудобно с точки зрения изоляции обмотки.

На фиг. 10 приведен вариант смещения от напряжения на К_м 2. Это напряжение u₁(t) (фиг. 7) становится нулевым и даже меняет знак в момент срабатывания К_м 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 К_м 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 К_м 2 на К_м 3, 4, 5, 6, и К_{м зар} выполнена в виде одного витка, как в предыдущем возбудителе. Смещения от токов i₁, i₂, i₃, i₄ компенсируют влияния этих токов на этапах помехочувствительности каждого из К_м. Помогающее напряжение вырабатывается на конденсаторе 19, последовательно включенном в цепь К_м 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 К_м 3 при срабатывании К_м 2, проходящий через К_м 4 и резистор 17 оказывается небольшим, то есть постоянная времени помогающей цепи должна располагаться между временем срабатывания К_м 4 и временем накопления К_м 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 К_{м 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 К_м “помехосоздающим” является ток i₄, а “смещающим” – ток i₅. Хотя К_{м 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 “-B ” на этапе “помехочувствительности”, общим током смещения и током i₄, затем продолжает удерживаться в этом состоянии более значительным током этапа “смещения” от тока i₅, конденсатор 22 при этом заряжается, а затем при этапе “переключения” для К_м 6 отрицательный импульс подается на дроссель 10 и выход линии.

Как следует из описания работы магнитных ключей К_м, порог их включения определяется не уровнем напряжения, а его интегралом, и по своей природе К_м не может держать постояннoе напряжение. Поэтому в цепи К_м обязательно должна быть последовательная емкость, блокирующая постоянное напряжение. Все предложенные выше возбудители с К_м 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 К_м.

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 n-p-n 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 i₁ 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 К_м 2 не требуется, цепочка К_м начинается сразу с К_м 3. Смещение К_м 3 обеспечивается током i₁, как это описано выше для смещения трансформатора. Кроме того, ток i₁ используется для защиты на этапе помехочувствительности К_м 5, как это описано ранее. К_м 6 имеет смещение от тока i₃, а К_{м зар} – от тока i₄, как это описано ранее. Имеется общая цепь смещения от тока i₁ дросселя 72 фильтра и сопротивления 34 фильтра, как это описано ранее для магнитных ключей.

Обратим внимание на К_м 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 К_м 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 К_м 1 и К_м 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 n магнитных ключей, включающий установку i-го ключа в исходное состояние намагничивания, отличающийся тем, что для срабатывания i-го магнитного ключа подают ток смещения от (i-2)-го магнитного ключа и ток помехозащиты от (i-3)-го магнитного ключа.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 19.06.2008

Извещение опубликовано: 27.06.2010 БИ: 18/2010