Пособие по источникам питания

Сф. Для защиты питающей сети от высокочастотных колебаний в осцилляторе имеется входной помехозащитный фильтр (ВФ).

Колебания, возникшие в контуре, затухают примерно за 2 мс. Если осциллятор не отключают, то импульсы колебаний периодически повторяются после становления электрической прочности разрядника F. Осцилляторы параллельного включения применяют, как правило, с источниками питания постоянного тока.

На рисунке 70 приведена электрическая схема осциллятора последовательного включения

Рис. 70. Схема последовательного включения осциллятора

Катушка индуктивности LК колебательного контура СК – LК - FV включена последовательно с дугой. Сечение ее обмотки рассчитывается на сварочный ток. Защита источника питания ИП от воздействия высокочастотного высокого напряжения, возникающего на индуктивности LК при разряде конденсатора СК, осуществляется шунтированием источника конденсатором СБ. Осцилляторы последовательного включения компактнее и проще, чем параллельного включения. Все осцилляторы с искровыми генераторами создают широкий спектр частот, попадающих в питающую сеть и мешающих радиоприему. Поэтому в схемах источников предусмотрено автоматическое отключение осцилляторов после возбуждения сварочной дуги, а в случае, если дуга не возбудилась, то предусмотрено автоматическое отключение не более чем через 5 с.

7.5. Блок нарастания тока и заварки кратера

Для предотвращения разрушения вольфрама и попадания его в сварной шов в начале процесса сварки дуга зажигается на дежурном токе, который затем плавно нарастает до рабочего. По окончании процесса сварки для устранения кратера, образующегося вследствие дав-

151

ления дуги, который является концентратором внутренних напряжений, сварочный ток должен плавно снизиться до дежурного. В автоматизированных процессах сварки, при питании дуги от статических источников для плавного нарастания и снижения величины тока в конце шва, могут применяться специальные конденсаторные батареи, обеспечивающие подачу непосредственно на вход регулятора тока источника управляющего напряжения, спадающего при разряде по экспоненте. Однако для разряда на цепь регулятора тока, имеющего малое резистивное сопротивление, требуется батарея весьма большой емкости. Для уменьшения емкости батареи в источниках питания используют промежуточные усилители на транзисторах, что дает не только резкое снижение емкости батареи, но и создает возможность регулирования в широких пределах времени снижения сварочного тока.

Рис. 71. Схема нарастания тока и заварки кратера: а) электрическая схема;

б) диаграмма цикла сварки, где Iд – дежурный ток, Iр – рабочий ток, tн – время нарастания тока, tс – время сварки, tк – время заварки кратера

На рисунке 71, а приведена принципиальная электрическая схема регулятора плавного нарастания сварочного тока и заварки кратера в конце процесса сварки (в конце шва).

Усилитель регулятора собран на транзисторах по схеме с общим эмиттером (на рисунке 71 условно показан один транзистор VТ). В начале процесса сварки после зажигания дежурной дуги замыкаются контакты реле К1 и конденсатор С заряжается до напряжения Uп, снимаемого с потенциометра PR1. К коллекторной цепи транзистора подведено напряжение от регулятора напряжения. При этом ток базы транзистора определяется выражением

152

I		Un			, А,	(83)
	б	PR1 R1 Rб.э.	R3

где Rб.э. - сопротивление цепи база–эмиттер транзистора, Ом.

Напряжение управления снимается с коллектора транзистора относительно его эмиттера.

В конце процесса сварки реле К1 размыкается, но ток базы транзистора не прерывается и, следовательно, не прерывается ток, протекающий по цепи коллектора. Это оказывается возможным потому, что некоторое время напряжение и ток базы поддерживаются разряжающимся на цепь эмиттер–база конденсатором С. Таким образом, с момента отключения реле К1 весь процесс сварки управляется конденсатором С, напряжение на котором при разряде спадает по экспоненте.

На рисунке 71, б показана диаграмма тока нагрузки, определяемая величиной тока, протекающего через транзистор.

При зарядке конденсатора С на цепь база–эмиттер транзистора поступает ток, значения которого изменяются от imin до in, изменяясь по экспоненте и, следовательно, напряжение управления снижается от Uд до Umin. Кривая изменения тока за период tн показана на рисунке 71, б. Постоянная времени зарядки конденсатора определится выражением

	PR1		С , с.	(84)
	R1 Rб.э. R3

По окончании периода сварки tс наступает время заварки кратера tк. При разрядке конденсатора С на цепь база-эмиттер транзистора поступает ток, значения которого изменяются от in до imin, изменяясь по экспоненте и, следовательно, напряжение управления повышается от Umin до Uд. Кривая изменения тока за период tк показана на рисунке 55, б. Постоянная времени разрядной цепи определится выражением

	PR2 R1 Rб.э.	R3	C , с.	(85)
р	PR2 R1 Rб.э.	R3

Учитывая, что вольтамперная характеристика регулятора тока линейна в интервале изменения тока управления от in до imin, то сварочный ток изменяется по экспоненте. В момент времени tк снижение сварочного тока заканчивается и источник питания отключается от сети.

153

7.6. Импульсный стабилизатор горения дуги

Импульсный стабилизатор горения дуги (ИСГД) переменно тока применяют при сварке переменным током неплавящимся электродом изделий из легких сплавов в среде защитного газа. При таком способе сварки возникают трудности повторного возбуждения дуги при переходе на обратную полярность.

На рисунке 72 приведена принципиальная схема ИСГД. Форма изменения сварочного тока источника во времени сварки может быть синусоидальной, трапецеидальной, прямоугольной. Конденсатор С заряжается от трансформатора ТV через вентиль VD1 и токоограничивающий резистор RЗ, как показано на рисунке 72, в.

Рис. 72. Стабилизатор горения дуги: а) электрическая схема; б) напряжение на входе стабилизатора; в) напряжение на конденсаторе

Наличие вентиля VD1 предотвращает разряд конденсатора на трансформатор ТV при снижении напряжения, как показано на рисунке 72, б. В цепи разряда конденсатора включены тиристор VS и ограничительный балластный резистор Rб. Разряд конденсатора на дуговой промежуток происходит при подаче положительного потенциала на управляющий электрод тиристора VS от системы управления через диод VD3 и стабилитрон VD2. Открывание тиристора произойдет тогда, когда на его аноде будет положительный потенциал относительно катода, а задержка сигнала осуществляется стабилитроном VD2. Запирается тиристор после полного разряда конденсатора. Разрядный импульс обеспечивает повторное возбуждение дуги на обратной полярности сварочного тока. Параметры импульса - амплитуда порядка 600 В, длительность 60-80 мкс - устанавливаются в соответствии с требованиями технологии. Пик тока импульса может достигать 60-80 А.

154

7.7. Устройство ограничения постоянной составляющей тока

При рассмотрении физических причин появления постоянной составляющей тока при сварке показано ее неблагоприятное влияние на энергетические показатели и сварочные свойства источников тока

иобоснована необходимость ее устранения или ограничения до требуемых по технологическим соображениям значений.

Впромышленности для полного или частичного устранения постоянной составляющей тока используются два способа: включение последовательно в сварочную цепь конденсаторной батареи или резистора, зашунтированного силовым диодом.

Первый способ обеспечивает полное устранение постоянной составляющей тока. В 50-60-е годы он широко использовался в зарубежных и отечественных специализированных установках для аргонодуговой сварки. Для его осуществления отечественной промышленностью были разработаны специальные электролитические неполярные конденсаторы серии ЭС-1000 на 1000 мкФ, 12 В. В установках УДАР-300

иУДГ-301 завода «Электрик» имени Н. М. Шверника на ток 315 А батарея содержала 100 таких конденсаторов, соединенных параллельно; ее масса составляла 45-50 кг. В установках УДАР-500 и УДГ-501 использовалось по 150 конденсаторов. Отказ от использования конденсаторных батарей обусловлен технико-экономическими соображениями. В этом случае применяется диодно-тиристорное устройство (рис. 73).

Рис. 73. Схема устройства ограничения постоянной составляющей тока (а) и диаграммы напряжений и токов (б)

Второй способ получил распространение в основном при создании сборных сварочных постов для аргонодуговой сварки. Полярность

155

диода выбирается такой, чтобы он пропускал ток в полупериоды обратной полярности. В полупериоде прямой полярности диод и значение тока ограничено резистором, подключенным параллельно диоду. Чтобы устранить постоянную составляющую тока при различных режимах сварки, резистор должен быть переменным. Недостаток такого устройства - необходимость его перенастройки при изменении режима сварки и значительные энергетические потери при прохождении прямой полуволны тока через резистор.

Анализ динамики роста постоянной составляющей тока при фазовом регулировании показал возможность эффективного ограничения постоянной составляющей тока путем встречно-параллельного включения в сварочную цепь диода для пропускания полуволны тока обратной полярности и тиристора для пропускания полуволны тока прямой полярности. Момент включения тиристора должен соответствовать некоторому углу Iкр, при котором длительность протекания тока прямой полярности равна половине периода. Угол включения можно отсчитывать от нуля сетевого напряжения, или можно ввести задержку на время т относительно момента окончания полуволны тока обратной полярности, т.е. появления анодного напряжения на тиристоре.

На этой основе во ВНИИЭСО разработано новое диоднотиристорное устройство ограничения постоянной составляющей тока в источниках с амплитудным регулированием тока (трансформаторы с подмагничиваемым шунтом, подвижными обмотками и т.д.).

Во вторичную цепь сварочного трансформатора (рис. 73) включен двухполюсник, состоящий из встречно-параллельно включенного диода и тиристора с линией задержки на включение и резистора. Линия задержки содержит конденсатор, резистор и переключающий диод.

В полупериод обратной полярности сварочный ток беспрепятственно проходит через диод, напряжение на двухполюснике определяется прямым падением напряжения на диоде (ось 2).

После прекращения тока обратной полярности наступает пауза основного тока, ток дуги поддерживается через резистор. Напряжение на двухполюснике скачком возрастает до значения, близкого к значению напряжения холостого хода трансформатора, и начинается заряд конденсатора через резистор линии задержки. По истечении заданного времени (около 1 мс) включается диод, и конденсатор разряжается на управляющий переход тиристора, последний включается, и начинается полупериод тока прямой полярности. Напряжение на двухполюснике скачком падает до значения прямого падения напряжения на тиристоре (ось 2). Мощность, рассеиваемая на резисторе, незначительна, по-

156

скольку резистор пропускает ток только во время задержки на включение тиристора.

Сопротивление резистора выбирается из условия поддержания минимального тока дуги.

Устройство не требует переналадки при изменении режима сварки и обеспечивает ограничение постоянной составляющей сварочного тока до уровня, не превышающего 10-12 % от действующего значения тока.

В источниках питания переменного тока с тиристорным регулированием отдельное устройство подавления постоянной составляющей тока не требуется. В этих источниках предусматриваются две отдельные системы авторегулирования для тока прямой и обратной полярности. Каждая система регулирования содержит свой задатчик значения тока, датчик тока, включенный последовательно с соответствующим тиристором, и формирователь импульсов управления для этого тиристора. Уставками задатчиков тока прямой и обратной полярности могут быть заданы значение и полярность постоянной составляющей тока или предусмотрена ее полная компенсация. При этом поддержание заданного значения постоянной составляющей тока осуществляется системами авторегулирования независимо от степени выпрямляющего действия дуги, ее длины и других факторов режима сварки.

Вопросы

1.Состав сварочной установки.

2.Принцип работы искрового генератора.

3.Принцип работы стабилизатора горения сварочной дуги.

157

Глава 8. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ СВАРОЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Если требуемая величина сварочного тока больше той, которую дает один источник питания, применяют параллельное соединение двух и более сварочных трансформаторов или генераторов (реже сварочных выпрямителей).

8.1. Общие правила соединения источников питания для сварки на параллельную работу

При соединении источников питания на параллельную работу необходимо соблюдать следующие основные правила:

1.Все клеммы соединяемых источников питания, имеющие одноименную полярность или одинаковую фазу, соединяются между собой, образуя две общие клеммы, от которых питается сварочная дуга.

2.Напряжение холостого хода источников питания должно быть одинаковым. В противном случае, в замкнутых контурах, образованных обмотками параллельно соединенных источников питания, даже при отсутствии нагрузки, могут возникнуть значительные уравнительные токи, нарушающие нормальную работу источников питания.

3.Внешние характеристики источников питания должны быть подобны: крутопадающие, пологопадающие, жесткие. Если соединить источники питания с разными характеристиками (например, с жесткими и падающими), то при колебании длины дуги изменение напряжения на источниках будет различно, вследствие чего появятся большие уравнительные токи.

4.Общий ток нагрузки Iн, равный сумме токов отдельных источников питания (I2 и так далее), распределяется между источниками обратно пропорционально их полным сопротивлениям. Чем больше мощность источника питания, тем меньше его внутреннее сопротивление. Следовательно, источники питания разной мощности можно соединять на параллельную работу только при условии, что общий ток нагрузки не будет превышать суммы номинальных токов всех соединяемых источников питания.

5.Для того чтобы иметь возможность раздельно включать соединяемые на параллельную работу источники питания и иметь возможность раздельной настройки напряжения холостого хода в цепи, соединяющей зажимы низкого напряжения, должен быть установлен однополюсный или двухполюсный рубильник.

158

6. Для контроля напряжения холостого хода при настройке, а также для контроля за распределением токов необходимо установить вольтметры и амперметры, измеряющие напряжения и сварочные токи отдельных источников.

Рекомендуется соединять источники питания одного типа или с одинаковыми номинальными данными.

Кроме выполнения основных правил, при параллельном соединении источников питания следует учитывать некоторые особенности их схем.

8.2. Параллельное соединение сварочных трансформаторов

Для того чтобы напряжения холостого хода параллельно соединяемых трансформаторов были равны, коэффициенты трансформации их должны быть одинаковы. Это условие, как правило, выполняется только для однотипных трансформаторов. Первичные обмотки сварочных трансформаторов обязательно подключаются к одним и тем же линейным проводам питающей сети. Со стороны вторичных обмоток необходимо соединить клеммы, имеющие в: каждый момент времени одинаковую полярность (рис. 74).

Рис. 74. Параллельное соединение сварочных трансформаторов

Одна пара клемм соединяется только при помощи рубильника или контактов силового пускателя. Если рубильник отключен, можно раз-

159

дельно включить первичные обмотки трансформатора в сеть и производить настройку трансформатора на необходимый рабочий режим.

Правильность соединения обмоток проверяют следующим образом. Сначала присоединяют концы первичных обмоток, затем соединяют два конца вторичных обмоток, а между двумя другими концами включают вольтметр или лампу на 120 В. Если концы соединены правильно, то стрелка вольтметра будет на нуле, а лампа не загорится. Если вольтметр покажет напряжение 120–160 В или загорится лампа, значит концы вторичной обмотки соединены неправильно. В этом случае следует пересоединить концы вторичных или первичных обмоток.

При включении на параллельную работу двух трансформаторов с отдельными дросселями, последние можно включать либо последовательно, либо параллельно.

Трансформаторы, в которых сварочный ток регулируется переключением первичных и вторичных обмоток, включать на параллельную работу можно только при одинаковом соединении обмоток.

8.3. Параллельное соединение сварочных генераторов

Схемы параллельного включения сварочных генераторов в зависимости от их типа имеют некоторые особенности, хотя общие правила включения неизменны.

Возбуждение генераторов перед включением на параллельную работу может быть отрегулировано так, что напряжение холостого хода у них будет одинаковым.

Дополнительным условием соединения генераторов на параллельную работу является постоянство числа оборотов якоря генератора при любых изменениях нагрузки.

У генераторов с независимым возбуждением нет причин для изменения напряжений, так как постоянство величины намагничивающих потоков обеспечивается феррорезонансным стабилизатором, а постоянное число оборотов обеспечивается асинхронным двигателем, не меняющим скорости вращения при изменении нагрузки.

Параллельное подключение генераторов с независимым возбуждением показано на рисунке 75.

Поэтому все генераторы с независимым возбуждением включаются на параллельную работу только прямым соединением.

При параллельной работе двух генераторов с самовозбуждением может случиться, что по каким-либо причинам (например, изменение числа оборотов, если приводом генераторов служат двигатели внутреннего сгорания) напряжение одного из генераторов понизилось. Ток

160