Пособие по источникам питания

Рис. 66. Схема установки постоянного тока: а) схема силовой части источника питания; б) внешние вольтамперные характеристики; 1 – силового тиристорного выпрямителя, 2 – вспомогательного источника питания

В схеме имеются: ТV - силовой трехфазный стержневой трансформатор; VS - силовой тиристорный выпрямительный блок; ВИП - вспомогательный источник питания, задающий напряжение холостого хода; ДТ – датчик тока; L - дроссель, G - осциллятор; БФИ - блок формирования импульсов управления тиристорами; БРТ - блок регулирования тока; ТБ - триггерный блок; РБ - релейный блок.

Силовой трехфазный трансформатор ТV имеет одну первичную обмотку и две вторичных обмотки.

Напряжение от вторичной обмотки W2 подводится к трехфазному выпрямителю VS (основной силовой выпрямитель), собранному по мостовой схеме выпрямления на тиристорах, имеющему пологопадающую внешнюю характеристику. От вторичной обмотки напряжение подводится к трехфазному неуправляемому выпрямителю VDB, собранному также по мостовой схеме, который входит в состав вспомо-

141

гательного источника питания ВИП, включенного на дугу параллельно с основным. ВИП имеет крутопадающую внешнюю характеристику. Такая форма характеристики обеспечивается действием трех однофазных неуправляемых линейных дросселей LB с разъемными ферромагнитными сердечниками. Требуемый ток возбуждения дуги устанавливается соответствующим переключением обмоток в разъемном сердечнике дросселя.

Этот ток является минимальным током источника. Дроссели выполняют также функции сглаживающих фильтров на малых токах и предотвращают возникновение автоколебательного режима при глубоком регулировании.

ВИП обеспечивает также необходимое напряжение холостого хода: 200 В для сварки в среде гелия и 100 В для сварки в среде аргона. В процессе сварки горят одновременно обе дуги. Маломощная дуга обеспечивает получение вертикального участка внешней характеристики источника до зажигания сварочной дуги. Совмещение двух существенно различных по форме внешних характеристик, когда маломощный вспомогательный источник имеет достаточное для надежного возбуждения дуги напряжение, а основной источник - вертикальную внешнюю характеристику в диапазоне рабочих напряжений, позволяет существенно снизить напряжение холостого хода основного источника питания сварочной дуги, а следовательно, потребляемую мощность, массу, габаритные размеры, повысить к.п.д. и коэффициент мощности. Ток возбуждения составляет около 3 % от номинального сварочного тока.

Силовой выпрямитель VS выполняет также функции формирователя внешней характеристики, стабилизатора и коммутатора тока, модулятора импульсов и регулятора тока дежурной дуги при импульсной сварке.

Температурная защита тиристоров обеспечивается специальным релейным блоком РБ. Датчиком температуры является терморезистор, установленный в радиаторе тиристора, который включен последним в контуре водяного охлаждения и, следовательно, наиболее сильно нагрет. При превышении температуры охлаждающей воды над заданной срабатывает реле, отключающее силовую цепь и включающее сигнальную лампу. Другие электромагнитные реле блока определяют порядок работы элементов схемы при нажатии кнопок и выключателей, расположенных на панели управления и дублирующем пульте сварщика.

Датчик тока, включенный последовательно в сварочную цепь, выдает сигнал обратной связи по току. Постоянство электрического сопротивления ДТ в процессе работы обеспечивается малым температур-

142

ным коэффициентом сопротивления материала датчика и охлаждением трубки проточной водой.

Блок формирования импульсов БФИ выполнен по принципу «вертикального управления», заключающемуся в формировании пилообразного напряжения, сравнении его с напряжением управления и последующем формировании прямоугольных импульсов, положение которых во времени определяется результатом указанного сравнения и зависит от характера суммирующего импульса, поступающего на блок БФИ с блока регулирования тока БРТ. БФИ состоит из следующих основных узлов: входного устройства, создающего многофазную систему напряжений, синхронизированную с напряжением питающей сети; фазосдвигающего устройства, обеспечивающего изменение фазы управления импульсов относительно напряжения питающей сети; выходного усилителя, осуществляющего усиление и формирование управляющих импульсов. Работа источника питания в переходном и импульсном режиме обеспечивается двойными импульсами, которые генерирует БФИ благодаря соответствующему соединению трех его каналов управления.

Блок регулирования тока обеспечивает: плавное регулирование сварочного тока во всем рабочем диапазоне; плавное нарастание тока в начале и плавное снижение в конце сварки; формирование внешней характеристики источника; стабилизацию рабочего тока при изменениях длины дуги и напряжения питающей сети; импульсную коммутацию тока и модуляцию импульса.

Триггерный блок ТБ служит для задания импульсного режима работы источника питания и обеспечивает независимое регулирование длительности импульсов и пауз, которое кратно целому числу периодов синусоидального напряжения сети. Триггерный блок обеспечивает возбуждение периодически повторяющихся, регулируемых по продолжительности и частоте импульсов напряжения, которые через блоки БРТ и БФИ задают режим работы блоку VS. Регулирование тока дежурной дуги при импульсной сварке осуществляется с помощью этих же импульсов, которые подаются на промежуточный транзистор в блоке регулирования, а с него - на резистор регулирования дежурного тока, установленный на пульте управления источником, и выходной транзистор блока БРТ.

7.2. Источники переменного тока

Ряд характерных особенностей имеют источники сварочного переменного тока.

143

Во избежание неустойчивого горения дуги в связи с резким ростом напряжения повторного зажигания, возникающего вследствие токовой паузы при смене полярности с прямой на обратную, сварка ведется, как правило, в режиме непрерывных токов. Обычно применяются источники с напряжением холостого хода 70-80 В, однако в некоторых отдельных случаях, при высоких дуговых напряжениях, например при сварке в гелии или при сварке на малых токах, напряжение холостого хода достигает 120 В. Для обеспечения безопасности сварщика во всех установках для сварки неплавящимся электродом предусматривается отключение холостого хода через 1-2 с.

Для облегчения повторного возбуждения дуги принимаются специальные меры для ускорения перехода тока через нуль. Для этого цепь подмагничивания должна иметь большую индуктивность рассеяния. При этом ухудшаются возможности управления сварочным током, в частности возможность использования режимов сварки пульсирующей дугой.

Применение специальных трансформаторов с электронным регулированием, тиристорных трансформаторов позволяет избежать трудностей, возникающих при регулировании подмагничивания.

Всвязи с большим различием напряжений горения дуг прямой

иобратной полярности и неблагоприятного влияния на сварку возникающей по этой причине постоянной составляющей тока дуги, в источниках переменного сварочного тока применяются специальные устройства для компенсации постоянной составляющей тока.

Уменьшение постоянной составляющей тока достигается включением активного сопротивления (балластного реостата) в цепь дуги. Такой способ уменьшения постоянной составляющей широко используется в сборных постах, состоящих из сварочного трансформатора, стабилизатора горения дуги, балластного реостатата и горелки. Сопротивление балластного реостата должно составлять примерно 2/3 от индуктивного сопротивления цепи, т.е., например, при сварочном токе 300 А

инапряжении холостого хода 72 В оно должно быть равно 0,13 Ом. При использовании балластных реостатов типа РБ-300 или аналогичных им установка тока должна быть около 225 А. При этом падение напряжения на реостате составит 40 В, что приведет к его перегреву. Поэтому необходимо включать в цепь дуги два реостата последовательно. Так как минимальное сопротивление каждого реостата равно 0,1 Ом, то суммарное значение их сопротивлений составит не менее 0,2 Ом. Такое сопротивление достаточно для компенсации постоянной составляющей при токах свыше 200 А. При меньших токах сопротивление балластных реостатов должно быть еще увеличено.

144

При использовании балластных реостатов для компенсации постоянной составляющей следует иметь в виду, что фактический ток дуги будет меньше примерно на 20 %, чем указанный на градуировочной шкале трансформатора.Для правильной оценки сварочного тока необходим в этом случае амперметр.

Активное сопротивление в цепи дуги неблагоприятно влияет на восстанавливающееся напряжение в момент смены полярности напряжения дуги и, следовательно, на процесс стабилизации ее горения. Затрудняется и выполнение условия непрерывности тока дуги. Поэтому недопустимо значительное увеличение активного сопротивления. Активное сопротивление в цепи нужно изменять одновременно с изменением индуктивного сопротивления цепи (установки тока сварочного трансформатора), регулирование тока с помощью балластного реостата допустимо лишь в незначительных пределах (до 20 %).

Из-за существенных недостатков (неполная компенсация постоянной составляющей тока, ухудшение условий стабилизации горения дуги, значительные потери энергии, необходимость подстройки при регулировании тока) способ уменьшения постоянной составляющей при помощи активного сопротивления применяется лишь в самодельных сборных постах.

Полная компенсация постоянной составляющей тока получается включением последовательно в цепь дуги конденсаторной батареи.

Батареи конденсаторов имеют значительные габариты и массу (около 15 кг на 100 А) и в современных установках по этой причине не используются.

В современных установках используется диодно-тиристорное устройство для подавления постоянной составляющей сварочного тока.

Источники переменного тока с прямоугольной формой импульса. Такие источники могут быть выполнены на основе магнитных тиристорных регуляторов. Если предполагать, что источники являются идеальными, т.е. пренебречь рассеянием и активными потерями, то можно считать, что процессы регулирования напряжения и тока нагрузки в источниках с магнитным и тиристорным регулированием практически идентичны. Поэтому рассмотрим работу тиристорного регулятора, выполненного по схеме, представленной на рисунке 67.

145

Рис. 67. Источник прямоугольного тока
Если положить, что индуктивное сопротивление дросселя xL	;

выпрямленный ток id при этом полностью сглажен. В момент времени,

когда (Uн 0, 2 ) тиристоры VS1, VS2 вступают в работу, при режиме, близком к короткому замыканию, когда среднее за полупери-

од значение напряжения нагрузки Uн 0 . Очевидно, что для этого режима применимы все соотношения, справедливые для мостового выпрямителя, работающего на чисто индуктивную нагрузку.

Напряжение на нагрузке

Uн	2 2 U2 / cos	U2cp cos	, В,	(82)
где U2ср – среднее за полупериод вторичное напряжение трансформа-
тора; φ - угол включения тиристоров.
При углах	2 они будут проводить ток id до момента			,

когда произойдет мгновенная коммутация и в работу вступят тиристоры VS3, VS4. В период работы одной группы тиристоров VS1, VS2 на-

пряжение на				выходе выпрямителя изменяется по закону косинуса
ud		2 U2 cos		t	,	причем в интервале		.......	оно имеет положитель-
ное, а в интервале						......(	) отрицательное значение.
	В этом интервале постоянство тока id поддерживается энергией,
запасенной в дросселе L. В момент								, когда вступят в работу тири-

сторы VS3, VS4, напряжение иd скачкообразно изменит свой знак. Это напряжение в режиме короткого замыкания практически полностью

146

0.844U

прикладывается к дросселю ( uL ud ). Ток нагрузки i2 имеет прямоугольную форму, напряжение на активной нагрузке uн повторяет форму тока нагрузки. Очевидно, что коэффициенты формы и амплитуды тока и напряжения нагрузки равны единице.

При уменьшении угла включения от значения, соответствующего

режиму короткого замыкания ( 2), до некоторого предельного угла υп напряжение на нагрузке возрастает, сохраняя прямоугольную форму. Начиная с угла υп должен происходить переход напряжения нагрузки uн и тока i2 от прямоугольной к синусоидальной форме. Ток i2 при изменении полярности не может мгновенно увеличится выше зна-

чения i2 uн Rн . Следовательно, предельное значение υп, при котором возможна прямоугольная форма напряжения, определятся из выраже-

ния uн	Uн	2		U2 sin	n . С другой стороны, как было приведено вы-
					. Следовательно, n arctg 2 32,5 . Пре-
ше, Uн	2	2U2		cos

дельное значение напряжения нагрузки, при котором еще сохраняется

прямоугольная форма тока, Uн.n 2ср . Таким образом, устройство позволяет регулировать напряжение нагрузки в широком диапазоне - от 0 до 0,844 U2ср при сохранении прямоугольной формы тока. Этот диапазон значительно перекрывает зону сварочных режимов.

Для получения благоприятной для сварки прямоугольной формы тока с малой гармонической составляющей масса дросселя должна превышать массу силового трансформатора.

Соотношение переменной и постоянной составляющих тока можно выразить через коэффициент пульсаций.

Несмотря на значительную массу и необходимость применения двойного комплекта тиристоров, источники с прямоугольной формой тока широко используются в отечественных и зарубежных установках для аргонодуговой сварки, где требования к форме тока весьма жестки. В таких источниках не требуется применения специальных мер для подавления постоянной составляющей тока, которая компенсируется автоматически за счет некоторой задержки включения тиристоров в полупериоды прямой полярности. Очевидно, что на основе рассмотренной схемы легко выполнить и комбинированные источники постоянного и переменного тока.

При сварке неплавящимся электродом в среде защитных газов первоначальное возбуждение дуги производится бесконтактным способом. Напряжение холостого хода источника питания (60-80 В) недостаточно для того, чтобы вызвать электрический разряд или даже

147

искру в промежутке между изделием и электродом, хотя промежуток может составлять лишь доли миллиметра. Для возникновения в промежутке свободных электронов и возбуждения дуги необходим кратковременный импульс напряжения, который обеспечил бы пробой и последовательное развитие искрового разряда вплоть до дугового. Такой импульс может быть обеспечен осциллятором.

7.3. Блок цикла сварки

Установки для аргонодуговой сварки снабжаются аппаратурой, обеспечивающей определенный цикл сварки.

По команде оператора на включение цикла:

а) включается электрогазовый клапан (ЭГК) и начинается подача защитного газа;

б) с выдержкой времени, необходимой для продувки газовых шлангов, включается источник питания (ИП) и блок поджига дуги – осциллятор (БПД);

в) после возбуждения дуги (поступления сигнала наличия дуги) начинается плавное нарастание рабочего сварочного тока от дежурного до рабочего с заданной скоростью;

г) при сварке на переменном токе включается стабилизатор горения дуги и блок ограничения постоянной составляющей сварочного тока;

е) далее идет процесс сварки в непрерывном или импульсном режиме.

По команде оператора на выключение цикла:

начинается плавное спадание рабочего тока – «заварка кратера»; оканчивается цикл «заварки кратера»; отключаются (СГД) и источник тока;

с выдержкой времени, обеспечивающей газовую защиту зоны шва, отключается (ЭГК).

Циклограмма и блочно-структурная схема блока цикла изображена на рисунке 68. При включении оператором кнопки, установленной на сварочной горелке, замыкается цепь, состоящая из последовательно включенных контактов кнопки, ветрового реле и гидрореле. На схему управления приходит сигнал «Пуск». Под воздействием этого сигнала появляется напряжение холостого хода на выходных зажимах источника тока (ИП) и срабатывают реле газа (РГ) и газовый клапан (ЭГК). Реле включения блока поджига дуги (БПД) включаются с регулируемой выдержкой времени на срабатывание, в течение которой продуваются газовые шланги.

148

Рис. 68. Блока цикла сварки: а) структурная схема; б) циклограмма работы

После зажигания дуги устанавливается дежурный ток, необходимый для разогрева вольфрамового, и начинается нормальный процесс горения дуги при дежурном токе. Возбуждение дуги на сравнительно малом дежурном токе предохраняет электрод от разрушения; сварочный шов не загрязняется включениями вольфрама.

Наличие тока и напряжения сварочной дуги (СД) фиксируется реле дуги (РД). Сигнал «дуга» с выхода (РД) дает команду в стабилизатор горения дуги (СГД) и блок нарастания тока (БНТ), который поступает на (ИП). По окончании нарастания сварочного тока устанавливается заданный режим непрерывной или импульсной сварки.

При опускании кнопки на сварочной горелке или при нарушении в системе охлаждения установки сигнал «сварка» снимается и начинается плавное снижение сигнала задания сварочного тока на выходе (БНТ). Идет заварка кратера шва. По окончании заварки кратера снимается сигнал задания дежурного тока, дуга обрывается, и реле дуги отпускает. (РГ) выполнено с выдержкой времени на опускание, в течение которой остывающий сварной шов защищается газом. Реле газа выключает (ЭГК). Цикл закончен.

7.4.Блок поджига дуги

Вкачестве блока поджига дуги наиболее часто используется осциллятор, который представляет собой генератор затухающих по aамплитуде знакопеременных импульсов высокого напряжения (около 3 кВ) и высокой частоты (порядка 100-3000 Гц). При подаче импульсов на промежуток между изделием и электродом происходит пробой промежутка дугового промежутка и появление свободных электронов.

149

Кратковременный искровой разряд переходит в дуговой, создавая условия для горения сварочной дуги, питаемой от основного источника питания. В зависимости от способа включения в цепь, различаются осцилляторы параллельного и последовательного включения. На рисунке 60 представлена схема параллельного включения.

Трансформатор ТV1 промышленной частоты повышает напряжение питающей сети до 3-6 кВ. Напряжение вторичной обмотки подведено к разряднику FV, входящему в систему искрового генератора

(ИГ), состоящего из (СК – LTV2 – FV) контура, в котором возникают высокочастотные колебания. При возрастании синусоидального напряже-

ния на вторичной обмотке ТV1, конденсатор СК заряжается до напряжения пробоя разрядника FV.

Рис. 69. Схема осциллятора параллельного включения: ВФ – входной фильтр;

ИГ – искровой генератор; БЗ – блок защиты источника питания

В его электрическом поле накапливается энергия	W	C	К	U 2	2	.

После пробоя разрядника конденсатор СК разряжается на индуктивность, являющуюся первичной обмоткой высокочастотного трансформатора ТV2, осуществляющего магнитную связь осциллятора со сварочным контуром. Энергия поля конденсатора СК при его разряде (за вычетом потерь в резистивных сопротивлениях) преобразуется в энергию магнитного поля первичной обмотки трансформатора ТV2, равную

W LTV 2i2 2 . В колебательном контуре возникает знакопеременный затухающий по амплитуде колебательный процесс с угловой частотой,

W	L i2 2	. Блокировочные кон-
зависящей от величины СК и LTV2..	TV 2

денсаторы СБ создают условия безопасной работы сварщика и предотвращают повреждение источника питания при пробое конденсатора

150