Пособие по источникам питания

сказывается на стабильности сварки короткой дугой в среде углекислого газа в режимах малых токов.

Рис. 35. Блоки подпитки сварочных выпрямителей: а) для выпрямителей с жесткой внешней характеристикой; б) для выпрямителей с универсальными характеристиками: Т1 - силовой трансформатор; VS - силовой тиристорный выпрямитель; Т2 - вспомогательный трансформатор с повышенным рассеянием;

VD - выпрямительный блок подпитки; L1 - дроссель в сварочной цепи; L2 - дроссель блока

подпитки; L - уравнительный реактор

Следует отметить, что дроссели с бесступенчатым регулированием (с двумя дополнительными обмотками и диодами) обеспечивают стабильную сварку в среде углекислого газа в достаточно широких пределах без введения блока подпитки. В этом случае вследствие автоматического снижения индуктивности в момент касания капли расплавленного металла свариваемого изделия стабильный процесс сварки в режимах малых токов обеспечивается при большей индуктивности дросселя, чем в случае применения дросселя с двумя ступенями индуктивности. При сварке на падающих внешних характеристиках дополнительные обмотки управления дросселя отключаются.

4.1.5. Датчики тока

Для получения падающих и жестких внешних характеристик с заданной крутизной наклона в выпрямителях используется обратная связь по току. Основным элементом обратной связи является датчик тока (ДТ), обеспечивающий необходимое изменение напряжения на его выходе, пропорциональное значению сварочного тока. В качестве чувствительных элементов датчиков тока, осуществляющих обратную связь, могут служить магнитный усилитель, трансформаторы тока,

91

включаемые на стороне низкого напряжения силового трансформатора последовательно с вентилями, интегральные операционные усилители.

Датчик тока на основе магнитного усилителя и резистивнодиодного управления, представлен на рисунке 36.

Рис. 36. Датчик тока на основе магнитного усилителя

Обмоткой управления магнитного усилителя А1 служит сварочный провод, пропущенный через окно магнитопровода. Рабочие обмотки усилителя включены в цепь однофазного выпрямительного моста VD1-4 от вторичного напряжения трансформатора TV1. При таком соединении обмоток магнитный усилитель работает в режиме вынужденного намагничивания. Для него характерна прямоугольная форма кривой переменного тока, а выпрямленное напряжение легко поддается сглаживанию. Сигнал обратной связи, пропорциональный сварочному току, снимается с резисторов R2, R3, включенных на выходе выпрямителя.

В настоящее время в тиристорных выпрямителях, схемы управления которых разработаны с применением интегральных микросхем, а также в выпрямителях на большие токи датчиками тока являются токовые шунты на 75 мВ с операционными усилителями (рис. 37). Высокий коэффициент усиления (50000 и более) позволяет обеспечить высокую стабильность параметров микросхем в результате введения отрицательной обратной связи.

Коэффициент усиления, обеспечивающий устойчивую работу схемы при использовании операционных усилителей в качестве датчи-

92

ков тока, работающих в сочетании с шунтом, невелик и составляет не более 100.

Рис. 37. Датчик тока с использованием операционного усилителя

При этом коэффициент усиления не зависит от разброса параметров микросхемы и определяется практически коэффициентом обратной связи и разбросом сопротивлений резисторов. Высокую стабильность параметры микросхем имеют и при изменении климатических характеристик внешней среды. Наличие в операционных усилителях прямого и инверсного входов, обеспечивающих совместно с двуполярным питанием изменение знака выходного сигнала, значительно расширяет возможности схем управления выпрямителей.

Коэффициент усиления усилителя в полосе равномерного усиле-

ния

	K у 1	R3		(61)
		R1 .

Конденсатор С1 совместно с резистором R4 осуществляет частотную коррекцию характеристик усилителя, конденсаторы С2 и С3 обеспечивают устойчивость его работы и помехозащищенность в процессе сварки.

4.1.6. Блок фазового управления

Основным элементом сварочного выпрямителя с фазовым управлением выходных параметров, определяющим его надежность в эксплуатации, является блок фазового управления тиристорами (БФУ).

93

Существуют две системы фазового управления: транзисторная, каналы управления которой выполнены с использованием стандартных логических элементов «Логика» Т-404, и система управления, разработанная с применением интегральных микросхем. Обе системы работают по одному и тому же принципу, т.е. вертикального управления, а различаются по применяемой элементарной базе. Но, учитывая, что интегральные микросхемы имеют более широкий спектр возможностей, то и БФУ, изготовленный на их основе, обладает лучшими регулировочными характеристиками.

БФУ представляет собой систему автоматического регулирования с обратными связями по току (ОСТ) и напряжению (ОСН). Падающие внешние характеристики (П) обеспечиваются отрицательной обратной связью ОСТ, жесткие (Ж) - включением обратной связи ОСН, которая действует совместно с частичной обратной связью ОСТ через неотключаемый резистор R (рис. 38).

Рис. 38. Блок фазового управления с обратными связями по току ОСТ от датчика тока ДТ, с обратными связями по напряжению ОСН

от датчика напряжения ДН, с обратными связями по напряжению сети ОСНС, с напряжением задания от блока управления БУ с напряжением синхронизации от блока питания БП и с выходом на схему тиристорного выпрямителя

Для улучшения стабилизации режима сварки при колебаниях напряжения питающей сети предусмотрена обратная связь по напряжению сети (ОСНС). Напряжение управления формируется узлом - формирователем напряжения управления, входящего в состав блока управления БУ. В качестве датчика напряжения служит выходное напряжение выпрямителя до силового дросселя.

Импульсы управления силовыми тиристорами создаются блоком формирования импульсов БФИ и поступают на силовой тиристорный выпрямитель СТВ.

94

Блок питания обеспечивает получение напряжений, необходимых для работы системы фазового управления.

Блок БФИ выполнен по традиционной шестиканальной системе фазового управления. Управление тиристорами производится импульсами прямоугольной формы. На вход блока БФИ поступает шесть сдвинутых между собой на 60 ° напряжений синхронизации с трансформатора блока питания БП. Каждый канал блока БФИ состоит из формирователя импульсов в виде триггера, промежуточного согласующего усилителя-формирователя, оконечного транзисторного каскада усиления.

Электрическая схема формирования импульсов одним каналом блока БФИ приведена на рисунке 39. Для управления тиристором VS1, включенным в фазе А, используются два напряжения: UС, синхронизированное с напряжением фазы С, и ŪВ, синхронизированное с напряжением, находящимся в противофазе с напряжением фазы В питающей сети. Каждое из этих напряжений поступает на диоды VD1 и VD2, срезающие напряжение отрицательной полярности. Положительные пульсирующие напряжения, сдвинутые на 60 °, подаются на входы триггера, собранного на двух логических элементах И - НЕ. Элементы имеют пороговое напряжение срабатывания Uпор. Следовательно, любой сигнал на входе элемента, меньший этого значения, соответствует логическому 0, а больший этого значения - логической 1.

Рис. 39. Схема формирования импульсов управления выпрямителя:

ФИ–формирователь импульсов; СУ–согласующий усилитель; ВК–выходной каскад усиления

Процесс формирования импульса на выходе триггера показан на (рис. 40) для случая Uy = 0. В начальный момент времени напряжения UС и ŪB меньше Uпор, следовательно, на обоих входах триггера сигналы равны нулю, а на выходе имеется сигнал 1. Через 60 ° после начала отсчета времени напряжение UС превысит пороговое значение и станет равным 1, однако состояние триггера при этом не изменится. Через 120 ° (точка Со). напряжение UС станет меньше Unop, a ŪB достигнет Unop. На выходе триггера появится сигнал 0. Такое состояние будет со-

95

храняться до тех пор, пока напряжение UB не упадет ниже порогового значения (точка Во). Это произойдет через 180 °. Поскольку UС и UB в этом случае на обоих входах будут нулевые сигналы, то на выходе появится 1. Цикл повторяется сначала. Полученные на выходе триггера импульсы управления поступают на согласующий усилитель, который представляет собой логический элемент И с открытым коллекторным входом. Усиленные импульсы подаются на оконечный транзисторный каскад VT, где импульсы дополнительно усиливаются и инвертируются. «Нулевые» импульсы шириной 60 ° становятся «единичными» импульсами управления тиристорами. Как видно из рисунка 39, нулевой сигнал на выходе триггера, а соответственно импульс управления тиристором появляются одновременно с началом положительной полуволны анодного напряжения фазы А. Поэтому тиристор VS1 в фазе А открывается сразу. Угол его регулирования а = 0, что соответствует максимальному значению выпрямленного напряжения. При увеличении напряжения управления Uу интервал нулевого сигнала на выходе триггера сместится вправо. Импульс включения тиристора сформируется при а > 0, тиристор будет открыт в течение 180 ° - а. Выпрямленное напряжение уменьшится. Схема обеспечивает изменение угла регулирования тиристоров от 0 до 180 °.

Рис. 40. Диаграмма формирования импульсов управления: а) напряжение на входе формирователя импульсов; б) напряжение на входе транзисторного усилителя

На рисунке 41 приведена упрощенная принципиальная электрическая схема блока, состоящая из узлов задания режима, формирования напряжения управления и ограничения обратной связи по напряжению.

Схема включает в себя обратные связи по напряжению, току и питающей сети. Напряжение Uy, которым определяется степень открытия тиристоров и режим сварки, снимается с выхода операционного усилителя DА1, входящего в узел формирования напряжения управления. Значение Uу устанавливается напряжением задания Uз, подаваемым на неинвертирующий вход усилителя DА1. Узел задания режима пред-

96

ставляет собой схему, которая обеспечивает необходимый диапазон изменения стабилизированного напряжения для получения заданного диапазона сварочного тока и напряжения.

Рис. 41. Блок формирования напряжения управления

Для обеспечения минимального напряжения на выходе усилителя DА1 на его неинвертирующий вход подается напряжение, задающее выходные параметры сварочного выпрямителя. Возрастание положительного напряжения на неинвертирующем входе приводит к увеличению Uy и уменьшению параметров режима. Уменьшение напряжения на входе действует в обратном направлении. Для получения необходимого диапазона изменения Uз при работе на жестких и падающих характеристиках при неизменном входном напряжении предусмотрено переключение резисторов в зависимости от вида характеристик (переключатель SА1).

Узел формирования напряжения управления, построенный на операционном усилителе DА1, осуществляет суммирование напряжений задания, всех внешних и корректирующих связей. Сигнал обратной связи по току снимается с шунта RS и подается на инвертирующий вход усилителя через резистор R5. Увеличение тока сварки приводит к увеличению отрицательного потенциала на входе усилителя, происхо-

97

дит увеличение Uу и снижение параметров режима. Сигнал обратной связи по напряжению снимается с выхода блока тиристоров и дополнительно подается при работе на жестких внешних характеристиках через резисторы R1 и R3 на инвертирующий вход усилителя.

При жестких внешних характеристиках (Ж) действие обратной связи по напряжению преобладает над действием обратной связи по току. При снижении напряжения на выходе выпрямителя под действием нагрузки или уменьшении напряжения сети уменьшается отрицательный сигнал – Оосн. Напряжение Uy снижается, и напряжение на выходе выпрямителя увеличивается. Для улучшения стабилизации режима сварки при колебаниях напряжения сети на инвертирующий вход усилителя DА подается через резистор R4 напряжение - UOCС и через резистор R2 подается стабилизированное напряжение. При номинальном напряжении сети суммарный потенциал на входе усилителя равен 0, в случае повышения напряжения сети значение - UOCС увеличивается, Uy уменьшается, выходное напряжение выпрямителя снижается.

При работе на жестких внешних характеристиках к инвертирующему входу усилителя DА через резистор РR1 подается дополнительное напряжение + Uy. В зависимости от его номинала обеспечивается настройка максимального режима при работе на жестких внешних характеристиках.

Коэффициент передачи усилителя DА1 определяется собственной регулируемой жесткой обратной связью через резистор R6. Значение коэффициента передачи определяет крутизну наклона падающих внешних характеристик. Регулировкой резистора РR2 устанавливается заданный ток короткого замыкания при номинальном режиме работы.

Стабилитрон VD1 ограничивает максимальный уровень напряжения Uy, снимаемого с усилителя DА1. Диод VD2 предназначен для ограничения минимального уровня Uy.

Для исключения колебательных процессов усилитель DА1 охвачен гибкой обратной связью через конденсатор С1. Конденсатор С3 защищает вход усилителя от случайных электромагнитных наводок.

При сварке на падающих характеристиках переключатель SA отключает точку соединения обмоток II и III дросселя L от общего провода, тем самым переводя его работу в неуправляемый режим.

4.2. Многопостовые сварочные выпрямители

Эти выпрямители применяются главным образом в судостроении и крупном машиностроении, когда на небольшой производственной

98

площадке сосредоточено значительное число сварочных постов. Схема многопостового источника питания представлена на рисунке 42.

Подобные многопостовые системы имеют ряд преимуществ по сравнению с однопостовыми выпрямителями:

-меньшую стоимость ухода, ремонта и обслуживания;

-возможность в случае необходимости вести сварку большими токами;

-меньшую, чем у эквивалентного числа однопостовых выпрямителей, рабочую площадь и т.д.

Одним из существенных недостатков многопостовых систем являются большие потери мощности в балластном реостате, снижающие КПД поста, которые определяются как

ηп=Рд / Рп ,

(62)

где Рд – мощность, используемая в дуге; Рп – мощность, подводимая к посту.

Рис. 42. Схема многопостового источника питания: VD1 - выпрямительный

блок; Rб - балластный реостат

При расчете числа постов, питаемых от источника, вводится коэффициент одновременности работы постов kо:

для ручной и механизированной сварки под флюсом принимается k0 = 0,5 –0,7;

для механизированной сварки в среде защитного газа k0 = 0,7–0,9.

99

Число постов п, которое может быть подключено к многопостовому выпрямителю, можно определить из соотношения

	n	Iном.		(63)
		Iном.n ko ,

где Iном. - номинальный ток выпрямителя; Iном.п - номинальный ток поста.

Одним из основных требований, предъявляемых к многопостовым системам, является независимость работы постов друг от друга.

4.2.1. Многопостовые выпрямители для ручной дуговой сварки

Они предназначены в основном для создания многопостовых систем питания от общих цеховых магистральных шинопроводов. Для обеспечения независимости работы отдельных постов выпрямители имеют жесткую внешнюю вольтамперную характеристику. Напряжение на выходе многопостового выпрямителя при изменении нагрузки от 50 до 100 % номинальной изменяется не более чем на 4 В.

Каждый пост подключается к источнику питания (магистрали) последовательно через балластный реостат, обеспечивающий получение падающих внешних характеристик и регулирование сварочного тока. Ток сварочного поста Iп. = Iд. (Iд - ток дуги) при заданном напряжении дуги равен

In=(Uном - Uд)/Rб, А,

(64)

где Uном - номинальное напряжение источника питания, В; Rб - включенное балластное сопротивление реостата, Ом.

4.2.2.Многопостовые выпрямители для механизированной сварки

вуглекислом газе

Многопостовые выпрямители для механизированной сварки в углекислом газе предназначены для централизованной системы питания сварочных постов. Выпрямители имеют жесткую внешнюю характеристику. Регулирование напряжения на постах производится автономно при помощи балластных реостатов тин РБГ-302. В большинстве случаев наклон внешней статической характеристики должен находиться в предела 0,07-0,12 В/А. При сварке в вертикальном положении на токах до 200 А сварочные посты дополнительно оборудуются дросселями с

100