Пособие по источникам питания

вания сварочного тока около двух угол включения тиристоров изменяется в пределах 60-20° эл., что соответствует колебаниям амплитуды импульса приблизительно на 14 % от максимального значения. В тех же пределах колеблется относительно максимального значения и скорость нарастания сварочного тока при смене полярности

di	U20m		sin Uд
				.	(45)
dt			Lсв.

В тех случаях, когда выполнение дополнительной импульсной обмотки почему-либо нежелательно, может быть использован отдельный импульсный трансформатор, вторичная обмотка которого включена через разделительный конденсатор параллельно вторичной обмотке сварочного трансформатора.

Принцип импульсной стабилизации дуги прерывистого переменного тока может быть реализован и при установке тиристорного фазорегулятора во вторичной цепи сварочного трансформатора. На рисунке 22, б дана схема ТТ с устройством генерации высоковольтных импульсов, обеспечивающих первоначальное зажигание и повторное возбуждение дуги. В момент включения тиристора зарядный ток конденсатора С2 наводит во вторичной обмотке высоковольтного трансформатора импульс высокого напряжения, достаточный для пробоя межэлектродного промежутка. Конденсатор фильтра С1 защищает источник питания от перенапряжений.

Принцип импульсной стабилизации дуги прерывистого переменного тока может быть реализован и при установке тиристорного фазорегулятора во вторичной цепи сварочного трансформатора. Данная схема (рис. 22, б) ТТ имеет устройство генерации высоковольтных импульсов, обеспечивающих первоначальное зажигание дуги. В момент включения тиристора зарядный ток конденсатора С наводит во вторичной обмотке высоковольтного трансформатора импульс высокого напряжения, достаточный для пробоя межэлектродного промежутка. Конденсатор фильтра Сф защищает источник питания от перенапряжений.

На рисунке 23 приведены внешние характеристики тиристорных трансформаторов с цепью подпитки и без нее для углов включения от 0 до 120 ° эл. Кривая 1 является внешней характеристикой цепи подпитки.

71

Рис. 23. Внешние характеристики трансформаторов: а) с цепью подпитки;

б) с импульсной стабилизацией дуги

Как видно из рисунке 23, а напряжение холостого хода трансформатора с цепью подпитки зависит от напряжения подпитки и не зависит от угла отпирания тиристоров, а при импульсной стабилизации горения дуги (рис. 23, б) изменение угла отпирания влияет на напряжение холостого хода источника питания.

Вопросы к главе 3

1.Сущность требований к технико-экономическим показателям.

2.Каким образом производится подбор источников по маркировке.

3.Принцип действия сварочного трансформатора?

4.Какие существуют виды магнитного рассеяния, и какую роль они играют при формировании внешней характеристики трансформатора?

5.Чем отличается принцип механического регулирования тока от фазового?

6.Принципиальная разница между цепью подпитки и импульсной стабилизацией?

7.Чем отличается трансформатор с повышенным магнитным рассеянием от трансформатора с нормальным рассеянием?

72

Глава 4. СВАРОЧНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

В настоящее время в качестве источников питания сварочной дуги постоянного тока применяются сварочные выпрямители, источники постоянного тока со звеном высокой частоты и вращающиеся электромашинные преобразователи и агрегаты.

Сварочные однопостовые выпрямители - это статические преобразователи энергии трехфазной сети переменного тока в энергию выпрямленного тока, используемую для дуговой сварки. Они используются для питания дуги при ручной дуговой сварке штучными электродами, при механизированной сварке под флюсом и при сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа.

Сварочные выпрямители можно разделить по способу регулирования и по количеству постов. Существуют следующие способы регулирования сварочного тока и напряжения: механическое и электронное.

4.1. Однопостовые сварочные выпрямители с механическим регулированием

Для ручной дуговой сварки применяются выпрямители с механическим регулированием, которые завоевали широкую популярность благодаря простоте конструкции, надежности в работе, легкости в обслуживании, высоким сварочным качествам. Для получения падающих внешних характеристик и регулирования сварочного тока в данных источниках используются трансформаторы с повышенным магнитным рассеиванием, при этом используются две основные системы механического регулирования: подвижные магнитные шунты и подвижные катушки.

Трансформаторы с подвижными магнитными шунтами в трехфазном варианте широко применяются в сварочных выпрямителях за рубежом. Основное достоинство данной системы регулирования - возможность достижения достаточно широких пределов сварочного тока в одном диапазоне. Однако это возможно только при очень малых воздушных зазорах (0,5 мм) между подвижным шунтом и стержнями трансформатора. Обеспечение таких зазоров в условиях массового производства представляет большие технологические трудности. Кроме того, трехфазные трансформаторы с магнитным шунтом и расположением стержней магнитопровода в одной плоскости имеют большую несимметрию магнитных проводимостей полей рассеяния средней и крайней фаз, которая значительно больше, чем у трансформаторов с подвижными катушками. При шунтах, введенных в окна магнитопро-

73

вода, несимметрия вторичных напряжений, а также линейных и фазных токов весьма значительна, что приводит к увеличению расхода активных материалов и снижает сварочные качества выпрямителей.

Значительное распространение в выпрямителях для ручной дуговой сварки получили трансформаторы с подвижными катушками.

Несимметрия вторичных напряжений, линейных и фазных токов у таких трансформаторов значительно меньше, чем у трансформаторов с подвижными шунтами (не превышает 15-18 %), и нет необходимости в специальных мерах по ее уменьшению. Трансформаторы имеют простую конструкцию с небольшим расходом активных материалов. При наличии двух диапазонов тока удается получить широкие пределы регулирования.

Для механизированной сварки в защитных газах, на жестких характеристиках, применяются выпрямители со ступенчатым и плавным регулированием выходного напряжения.

Выпрямители со ступенчатым регулированием выходного напряжения (рис. 24) относятся к категории наиболее простых источников питания, получивших значительное распространение, так как они обладают высокими сварочными свойствами.

Рис. 24. Выпрямитель со ступенчатым регулированием выходного напряжения

Они состоят из трехфазного понижающего трансформатора с секционированной первичной обмоткой и двух переключателей ступеней.

74

Изменение выходного напряжения происходит в резулдьтате изменения коэффициента трансформации km = W2/W1 = U2/U1. Схема выпрямления, как правило трехфазная мостовая. Существенными недостатками подобных выпрямителей являются необходимость в значительном числе ступеней регулирования, плохое использование активных материалов трансформатора (при работе на максимальной мощности секционированная часть первичной обмотки не используется), отсутствие дистанционного регулирования.

У сварочных выпрямителей с плавно-ступенчатым регулированием плавное регулирование сварочного тока и напряжения может производиться с помощью дросселя насыщения, включенного во вторичную цепь силового трансформатора. Регулирование дросселем насыщения привлекает простотой управления сварочным режимом и возможностью его стабилизации при колебаниях напряжения сети. Трехфазный дроссель насыщения выполняется на шести ленточных разрезных магнитопроводах. На каждом магнитопроводе расположены рабочие обмотки дросселя, включенные последовательно с вентилями силового выпрямительного блока, собранного по трехфазной мостовой схеме выпрямления на неуправляемых кремниевых вентилях. Объединенные попарно магнитопроводы охватываются катушками обмоток управления и смещения. Обмотка управления дросселя насыщения питается от перекомпенсированного феррорезонансного стабилизатора напряжения через выпрямительный блок. При понижении напряжения сети напряжение на выходе стабилизатора увеличивается и наоборот, что позволяет осуществить частичную компенсацию изменения рабочего напряжения при колебаниях напряжения сети. Обмотка смещения получает питание от вторичных обмоток силового трансформатора через выпрямитель, собранный по трехфазной схеме, и токоограничивающий резистор.

Ступенчатое регулирование производится путем изменения коэффициента трансформации силового трансформатора. Соединению фаз первичной обмотки треугольником с использованием отводов соответствует первая ступень регулирования рабочего напряжения (максимальное напряжение), соединению первичных обмоток треугольником (без отвода) - вторая ступень регулирования, соединению первичных обмоток звездой с использованием отводов - третья ступень регулирования.

Универсальные сварочные выпрямители с фазовым (тиристорным) регулированием применяются как для ручной дуговой сварки, так и для механизированной сварки в защитных газах. Сочетая в себе функции выпрямления и регулирования, тиристорный регулятор по-

75

зволил простыми методами решить задачи разработки выпрямителей с жесткими и падающими внешними характеристиками, с дистанционным регулированием, стабилизацией режима сварки при колебаниях напряжения сети и программным управлением. Тиристорные выпрямители представляют собой, как правило, замкнутую систему авторегулирования с обратными связями по току и напряжению.

4.1.1. Функциональные блок-схемы

Типовая функциональная блок-схема сварочного выпрямителя с механическим регулированием и падающими, а также жесткими внешними характеристиками приведена на рисунке 25.

Рис. 25. Сварочный выпрямитель с механическим регулированием:

СТ - силовой трансформатор; СВБ - силовой выпрямительный блок; L - дроссель

Трансформатор СТ трехфазный стержневой. Он предназначен для преобразования энергии, получаемой от силовой сети, в энергию, необходимую для процесса сварки. Кроме этого, с помощью трансформатора осуществляется согласование величин напряжений сети с выходным напряжением. Обмотки сварочного трансформатора обладают малыми индуктивными сопротивлениями, а внешняя характеристика трансформатора зависит от типа магнитного рассеивания (повышенное рассеивание – падающая внешняя характеристика, нормальное рассеивание - жесткая внешняя характеристика).

Выпрямление переменного напряжения происходит в блоке СВБ. В основном в силовых выпрямительных блоках сварочных выпрямителей применяют многофазные схемы выпрямления в связи с тем, что в многофазных схемах выпрямления снижается нагрузка на выпрямляющие вентиля:

Iв Iном f ,

(46)

где f – число фаз.

76

Типовая блок-схема однопостового тиристорного выпрямителя с универсальными характеристиками приведена на рисунке 26.

Создание выпрямителей с универсальными внешними характеристиками связано с унификацией конструкции силового трансформатора. Стабильный процесс сварки в углекислом газе тонкими электродными проволоками в различных пространственных положениях может быть обеспечен только при питании от выпрямителей с естественной жесткой внешней характеристикой, выполненных на базе трансформаторов с нормальным рассеянием. В то же время ручную дуговую сварку и сварку под флюсом можно выполнять при падающих характеристиках, полученных на базе трансформаторов с нормальным рассеянием. С учетом этого все тиристорные выпрямители выполняются с силовым понижающим трансформатором, имеющим нормальное магнитное рассеяние.

Рис. 26. Блок схема выпрямителя с универсальными характеристиками:

СТ – силовой трансформатор; СТВ – силовой выпрямительный блок; БП – блок подпитки; ДТ – датчик тока; L – дроссель; БУ – блок управления; БФУ – система фазового управления; ОСТ, ОСН – обратные связи по току и напряжению;

R – частичная обратная связь по току, создающая заданный наклон характеристик при сварке в защитных газах

В тиристорных сварочных выпрямителях в зависимости от типоразмера и экономически обоснованного типа тиристора применяются различные многофазные схемы выпрямления. Наиболее целесообразны схемы, обеспечивающие минимальную пульсацию сварочного тока: трехфазная мостовая, двойная трехфазная с уравнительным реактором

77

и шестифазная кольцевая схема выпрямления. Из трехфазных мостовых схем более предпочтительна симметричная, полностью управляемая схема, обеспечивающая по сравнению с полууправляемой схемой (три диода, три тиристора) меньшую пульсацию сварочного тока.

В тиристорных сварочных выпрямителях дроссель в цепи выпрямленного тока необходим не только для ограничения пиков тока короткого замыкания при сварке в среде углекислого газа, но и в значительной степени для сглаживания пульсации выпрямленного тока, величина которых зависит от пределов регулирования.

4.1.2. Многофазные схемы выпрямления

Учитывая, что многофазное выпрямление обеспечивает равномерную нагрузку питающей сети и лучшее использование вентилей, активных материалов трансформатора и дросселей, а также меньшую пульсацию выходного напряжения и тока, что особенно важно для выпрямителей с тиристорным регулированием.

В сварочных выпрямителях из трехфазных получили распространение трехфазная мостовая и двойная трехфазная схема с уравнительным реактором, а из шестифазных схем выпрямления применяется кольцевая и простая шестифазная схема с нулевой точкой. Применение шестифазных схем выпрямления вызвано стремлением к значительно лучшему использованию вентилей по току (практически в два раза), несмотря на усложнение конструкции трансформатора, введение в отдельных схемах дополнительного элемента (уравнительного реактора) и использование вентилей и тиристоров более высокого класса.

Основными параметрами и соотношениями, характеризующими схему выпрямления и необходимыми при выборе вентилей, применительно к сварочным выпрямителям, являются:

1)амплитудное значение обратного напряжения на вентиле Uобр.в., необходимо при выборе класса вентилей;

2)действующее значение фазного тока вторичных обмоток

трансформатора Iл в зависимости от номинального выпрямленного тока 1в с учетом работы вентилей и угла коммутации;

3)среднее и максимальное значения выпрямленного тока через вентиль Iв.ср, Iв.m., они необходимы при подборе вентилей по току;

4)расчетные мощности первичных Р1 и вторичных Р2 обмоток трансформатора, определяемые напряжением холостого хода выпрямителя и током нагрузки.

Среднее, действующее и максимальное значение тока через вентиль определяют потери в вентилях, коэффициент формы, а также ха-

78

рактеризуют работу вентильного блока в режимах короткого замыкания. Расчетная мощность обмоток и всего трансформатора определяет максимальную пропускную способность трансформатора при синусоидальных токах в его обмотках и характеризует расход его активных материалов.

4.1.2.1. Трехфазная мостовая схема выпрямления

Это наиболее распространенная схема в выпрямителях с жесткими и падающими внешними характеристиками, особенно, когда регулирование тока и напряжения осуществляется системами регулирования без применения тиристоров. Схема обеспечивает простую конструкцию трансформатора, состоящего из трех первичных и трех вторичных обмоток, и наиболее эффективное его использование.

Рис. 27. Трехфазная мостовая схема выпрямления: а) принципиальная электрическая схема; б) диаграмма напряжений на вторичной обмотке; в) напряжение на выходе выпрямителя

Обмотки трансформатора могут включаться треугольником или звездой. Рассмотрим схему в варианте выпрямителя с жесткими внешними характеристиками, (трансформатор имеет малое индуктивное сопротивление короткого замыкания) при работе на активноиндуктивную нагрузку. Следует отметить, что режимы работы на активную и активно-индуктивную нагрузку отличаются незначительно.

Как видно из рисунка 27, б, в точке 1 включается вентиль VD1, как имеющий наибольший положительный потенциал из всех вентилей катодной группы по отношению к нулевой точке сетевого напряжения трансформатора, с ним в паре работает вентиль VD5 фазы B, имеющий наибольший отрицательный потенциал из всех вентилей анодной группы. В точке 2 происходит коммутация тока в вентилях анодной

79

группы - включается вентиль VD6 фазы c. В точке 3 происходит коммутация тока в вентилях катодной группы - включается вентиль VD2 фазы В и т.д. Коммутация с одного вентиля на другой происходит в моменты пересечения синусоид фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, при отсутствии индуктивного сопротивления в анодных цепях вентилей они работают попарно с углом проводимости 2π/3. В действительности из-за наличия некоторой индуктивности в контуре коммутации угол проводимости больше, чем 2π/3, на угол коммутации и работа вентилей происходит попарно и по три. Выпрямленное напряжение (мгновенное значение) определяется линейным напряжением, которое через работающие в данный момент вентили подается на выходные зажимы выпрямителя.

Пульсация выпрямленного напряжения - шестифазная с частотой 300 Гц. Длительность анодных токов без учета коммутационных участков 120 °.

Обратное напряжение на вентиле определяется амплитудой линейного и холостого хода напряжения вторичной обмотки

Uобр.в 2.45U2ф 1.45U х.х. .

(47)

Действующие значения вторичного тока, в зависимости от вида внешней характеристики, могут быть приняты

I2 0.815Id для Ж, I2 0.745Id для П,

(48)

где Id - выпрямленный ток выпрямителя; Ж – жесткая характеристика; П – падающая характеристика.

Среднее значение тока через вентиль, учитывая, что схема выпрямления трехфазная:

Iв.ср. Id 3	.	(49)

Максимальное значение тока

Iв.m. 3.14Iв.ср.	.	(50)

4.1.2.2. Двойная трехфазная схема с уравнительным реактором

Наибольшее распространение эта схема нашла в тиристорных сварочных выпрямителях на токах до 500 А. По сравнению с другими

80